Bộ giáo dục và đào tạo bộ quốc phòng
Học viện kỹ thuật quân sự
Nguyễn Thái Chung Nền san hô và sự làm việc của cọc
trong nền san hô

Chuyên ngành: Cơ học kỹ thuật
Mã số: 62.52.02.01 Tóm tắt luận án tiến sỹ kỹ thuật

Hà nội - 2006

h hỏng công trình móng cọc trong nền san hô, Tuyển tập báo cáo khoa
học Hội nghị khoa học toàn quốc lần thứ ba về Sự cố và h hỏng công
trình xây dựng, tr 223 229, Hà nội, 25/11/2005.
9. Hoàng Xuân Lợng, Phạm Tiến Đạt, Nguyễn Thái Chung, (2005), Nền
san hô - các đặc trng phục vụ xây dựng công trình, Tuyển tập công trình
Hội nghị khoa học về công trình biển DKI lần thứ 2, tr 56 - 75, Hà nội,
2005.
10. Hoàng Xuân Lợng, Nguyễn Thái Chung, Phạm Tiến Đạt, (2006), Tính
chất cơ lý của san hô và nền san hô vùng quần đảo Trờng Sa, Tạp chí
Khoa học và Công nghệ biển, 1(T.6) 2006, tr 41 - 53, Hà nội.
11. Nguyen Thai Chung, Hoang Xuan Luong, Pham Tien Dat, (2006), Study
of interaction between pile and coral foundation, National Conference of
Engineering Mechanics and Automation, pp. 35-44. Công trình đợc hoàn thành tại:
Học viện kỹ thuật quân sự Ngời hớng dẫn khoa học:
1. GS.TS. Hoàng Xuân Lợng
2. PGS.TS. Phạm Tiến Đạt
Phản biện 1: GS.TSKH Nguyễn Tiến Khiêm
Viện Cơ học

trên cần phải có những nghiên cứu thật nghiêm túc đối với san hô theo
từng chuyên ngành riêng biệt, đặc biệt là nghiên cứu về tính chất cơ lý
hiểu rõ về san hô và nền san hô phục vụ việc xây dựng các công trình
biển, đảo là một công việc hết sức có ý nghĩa, góp phần phục vụ phát
triển nền kinh tế quốc dân và an ninh quốc phòng. Các công trình biển
đảo đợc xây dựng đã đáp ứng đợc phần lớn nhu cầu trớc mắt và quá
khứ, nhng các công trình này do ít về số lợng, chất lợng giảm theo
thời gian nên khó đáp ứng đợc nhiệm vụ và nhu cầu ngày càng lớn
trong tơng lai. Đặc biệt đối với các công trình đợc xây dựng trên nền
san hô, do còn cha hiểu biết đầy đủ về nền san hô khi thiết kế và xây
dựng, nên dẫn đến một số công trình đã bị h hỏng và hiệu quả cha cao.
Với mong muốn góp một phần mình vào công cuộc xây dựng, phát
triển nền kinh tế quốc dân và an ninh quốc phòng, tác giả lựa chọn đề tài
Nền san hô và sự làm việc của cọc trong nền san hô làm nội dung
nghiên cứu.
Nội dung và mục đích nghiên cứu của luận án:
- Giới thiệu, phân tích tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài
nớc về tính chất cơ lý của san hô và nền san hô theo quan điểm xây
dựng công trình.
- Trình bày đặc điểm phân bố và cấu trúc của san hô quần đảo
Trờng Sa.
- Xác định các tính chất cơ lý của san hô và các thông số động lực
học của nền san hô.
- Xây dựng mô hình, phơng pháp giải bài toán tơng tác giữa cọc
đơn và nền san hô.
- Nghiên cứu ảnh hởng của một số yếu tố đến sự làm việc của cọc
trong nền san hô.
Đối tợng, phạm vi nghiên cứu của luận án:
- Cấu trúc của nền san hô khu vực Trờng Sa.
- Nghiên cứu về tính chất cơ lý của san hô ở một số đảo thuộc quần

Mở đầu: Nêu tính cấp thiết của đề tài, cơ sở khoa học cho việc lựa
chọn đề tài nghiên cứu.
Chơng 1: Tổng quan về san hô và các phơng pháp nghiên cứu lý
thuyết và thực nghiệm tính chất cơ lý của san hô và nền san hô.
Chơng 2:
Đặc điểm phân bố và
c
ấu trúc san hô quần đảo Trờng Sa.

Chơng 3: Tính chất cơ lý của san hô và các thông số động lực học
của nền san hô quần đảo Trờng Sa.
Chơng 4: Tơng tác giữa cọc đơn và nền san hô.
Kết luận chung; Danh mục các công trình đã công bố của tác giả;
Tài liệu tham khảo.
Nội dung chính của luận án
Chơng 1:
Tổng quan về san hô và tình hình nghiên cứu
tính chất cơ lý của san hô và nền san hô
3
Trình bày, phân tích tình hình nghiên cứu về san hô, nền san hô
theo quan điểm xây dựng công trình và bài toán tơng tác giữa cọc và
nền san hô của các nhà khoa học trong và ngoài nớc. Các nội dung
nghiên cứu tổng quan đa đến các kết luận sau:
- Nghiên cứu về san hô và nền san hô là một lĩnh vực hết sức phức
tạp và khó khăn nhng có ý nghĩa lớn trong việc phục vụ nền kinh tế
quốc dân và an ninh quốc phòng.
- Các hớng nghiên cứu, đa ra các mô hình và phơng pháp giải sát

- Đá vôi san hô khung xơng hình toả tia đồng tâm, kiến trúc sợi -
vi hạt, độ rỗng thấp.
- Đá vôi san hô dạng khung xơng, nền khung xơng có kiến trúc
vi tinh, ẩn tinh và sợi ẩn tinh, độ rỗng lớn đang đợc lấp đầy bởi vật liệu
hỗn hợp canxit, vụn san hô và ôxit sắt (Fe
2
O
3
.nH
2
O). 4
- Đá vôi san hô ẩn tinh - vi hạt dạng khối đặc sít, giàu tảo lục.
Nhóm 2
: Nhóm đá vôi san hô vụn cơ học gắn kết chắc, liên quan đến
hoạt động của sóng và quá trình gắn kết ngoại sinh.
Nhóm 3
: Đá vôi san hô vụn cơ học bở rời và gắn kết yếu, gồm 3 kiểu:
- Đá vôi san hô vụn gắn kết yếu.
- Trầm tích vụn san hô hiện đại.
- Trầm tích san hô vụn chứa hạnh nhân silic, kích thớc lớn.
2.3. Phân bố san hô khu vực Trờng Sa
2.3.1. Phân bố theo chiều rộng
San hô khu vực Trờng Sa phân bố theo cụm, bao gồm 7 cụm sau:
- Ba cụm phía Bắc, gồm: Cụm Song Tử, Cụm Loại Ta, Cụm Thị Tứ.
- Hai cụm ở phía Nam, gồm: Cụm Sinh Tồn, Cụm Nam Yết.
- Một cụm phía Đông, là: Cụm Bình Nguyên.
- Một cụm phía Tây Nam, là: Cụm Trờng Sa.

cho phép định hớng trong việc nghiên cứu về mặt cơ học và tính toán
các kết cấu công trình làm việc trong và trên nền san hô phục vụ an ninh
quốc phòng và nền kinh tế quốc dân.
Chơng 3:
Tính chất cơ lý của san hô và các thông số
động lực học của nền san hô quần đảo Trờng Sa
3.1. Các đặc trng cơ lý cần nghiên cứu
Cờng độ kháng nén, mô đun đàn hồi; hệ số Poisson; hệ số biến
mềm; độ hút nớc; độ rỗng; khối lợng thể tích; khối lợng riêng;
đặc trng động lực học của nền san hô; tính từ biến; hệ số ma sát
giữa san hô với một số vật liệu khác; cờng độ lực ma sát giữa cọc
và nền là các đặc trng cơ lý cần xác định khi nghiên cứu về san hô.
3.2. Phơng pháp xác định
3.2.1. Khoan thăm dò và lấy mẫu thí nghiệm
Công tác khoan thăm dò và lấy mẫu san hô để thí nghiệm đợc
thực hiện tại các đảo san hô thuộc Quần đảo Trờng Sa (Đảo Song Tử
Tây, Trờng Sa Lớn, Trờng Sa Đông, Nam Yết và An Bang), các số liệu
thu đợc thể hiện trong bảng 3.1.
Bảng 3.1. Số liệu khảo sát, lấy mẫu
Tổng số mẫu
TT Tên Đảo
Tổng số mét
khoan
Cát, san
hô vụn
San hô
tảng
1 Song Tử Tây 253,6 30 50
2 Trờng Sa Lớn 236,0 73 36
3 Trờng Sa Đông 207,6 23 34

nén [N/cm
2
]
Đảo Lớp
Khô B.hoà
K.lợng
riêng
[g/cm
3
]
Khô B.hoà
Hệ số
mềm
hoá
Cát s.hô 1,249 1,317 2,275
Song
Tử Tây
San hô
khối
1,969 2,229 2,442 114,82 84,40 0,87
Cát s.hô 1,463 1,671 2,807
Trờng
Sa Lớn
San hô
khối
2,062 2,257 2,505 119,75 85,73 0,88
Cát san
hô
1,789 2,004 2,786
Cành,

7

a, Đảo Trờng Sa Lớn b, Đảo Song Tử Tây

c, Đảo Trờng Sa Đông b, Đảo Nam Yết
Hình 3.4. Đồ thị đặc trng của san hô các đảo ở trạng thái khô
3.3.2. Hệ số ma sát giữa san hô và các vật liệu xây dựng khác
- Phơng pháp nghiên cứu: Sử dụng phơng pháp thực nghiệm.
- Kết quả thí nghiệm: Tiến hành thí nghiệm xác định hệ số ma sát
giữa san hô và bê tông, giữa san hô và thép. Sau khi xử lý số liệu thí
nghiệm, tác giả đã xác định đợc hệ số ma sát của san hô và các vật liệu
trên nh trong bảng 3.12 và 3.13.
Bảng 3.12. Hệ số ma sát giữa san hô và bêtông
TT Loại san hô Hệ số ma sát f
ms

Bề mặt khô Bề mặt ớt
1 Kiểu cát kết
0,634 0,633
Trợt dọc thớ 0,578 0,549
2 Có thớ
Trợt ngang thớ 0,738 0,663
Bảng 3.13. Hệ số ma sát giữa san hô và thép
Loại san hô Hệ số ma sát
Bề mặt khô Bề mặt ớt
Kiểu cát kết
0,383 0,341 8

n
[cm] P
n
[N]
ms
[N/cm
2
]
Tròn 86 27 16 38,3 1909 1,68
Tròn 32 5 5 60 970 1,52
Chữ nhật 28,6 18 40 2008 1,60
b) Thí nghiệm tại phòng thí nghiệm:
- Mẫu thí nghiệm: Các tảng san hô lấy từ đảo về, khoan lỗ đờng
kính 60mm và cọc thép tiết diện ngang hình tròn đờng kính 63,5mm.
- Máy thí nghiệm: Là máy sinh lực vạn năng WEW-300C, xử lý và
hiển thị số, đạt tiêu chuẩn thiết bị thí nghiệm do Cục tiêu chuẩn đo lờng
VN cấp chứng nhận. Mô hình thí nghiệm thể hiện trên hình 3.8.

Hình 3.8. Mô hình thí nghiệm xác định cờng độ lực ma sát
giữa cọc và nền san hô tại PTN 9
Kết quả cờng độ lực ma sát trung bình
ms

sau khi đã xử lý thể hiện
trong bảng 3.15.
Bảng 3.15. Kết quả cờng độ lực ma sát giữa cọc thép và san hô
tại phòng thí nghiệm

Cờng độ lực ma sát danh nghĩa sau một số chu kỳ đợc xác định
theo biểu thức:
0
n
tx
k
tx
ms
ms
dL
Q)t(P
S
QP
S
)t,(F


=

=

= (3.40)
b) Thí nghiệm và kết quả đạt đợc:
Tiến hành thí nghiệm tại đảo Song Tử Tây, sau khi xử lý, kết quả thí
nghiệm thể hiện trong bảng 3.16. 10
Bảng 3.16. Cờng độ lực ma sát giữa cọc và nền san hô


n


+= (3.41)
Qua thí nghiệm, tác giả đã tìm đợc các hằng số từ biến a và n của
san hô nh bảng 3.17.
Bảng 3.17. Giá trị hằng số từ biến (theo thuyết già hoá) của san hô
Tên đảo Hằng số từ biến
Song Tử Tây n = 3,6993 a = 0,001387
Trờng Sa Lớn n = 3,6372 a = 0,001113
Trờng Sa Đông n = 3,7080 a = 0,001413
An Bang n = 3,8103 a = 0,000813
Với các kết quả bảng 3.17, tác giả đã xây dựng đợc hệ thống các
đồ thị sau tác dụng và rão ứng suất, ví dụ nh hình 3.17.

Hình 3.17. Đồ thị sau tác dụng và rão ứng suất của san hô
đảo Trờng Sa Lớn
Nhận xét và kiến nghị:
- Vật liệu san hô có tính từ biến khá rõ rệt, do vậy khi tính toán thiết
kế các công trình làm việc trên, trong nền san hô cần phải kể đến ảnh
hởng của tính từ biến đối với nền để có phơng án hợp lý. 12
- Có thể sử dụng mô hình từ biến của vật liệu san hô các đảo:
Trờng Sa Lớn, Trờng Sa Đông, Song Tử Tây và An Bang thuộc quần
đảo Trờng Sa theo thuyết già hoá, trong đó các hằng số từ biến a và n
có thể lấy trong khoảng:
a = 0,001113 ữ 0,001413; n = 3,6372 ữ 3,8103.
3.3.3. Xác định tốc độ truyền sóng trong cát san hô

lực ma sát giữa cọc và nền san hô khi có tải trọng ngang điều hoà tác 13
dụng tại đầu cọc; cờng độ lực ma sát và hệ số ma sát giữa san hô và
một số loại vật liệu xây dựng, nh: bê tông, thép; tốc độ lan truyền sóng
cắt trong môi trờng cát san hô tại đảo Song Tử Tây Quần đảo Trờng
Sa.
3. Nền san hô là nền phân lớp, liên kết giữa nền san hô và công trình
là liên kết một chiều. Vật liệu san hô có tính từ biến khá rõ, theo thuyết
từ biến già hoá, các hằng số từ biến a và n của các đảo nghiên cứu trên
có thể lấy: a = 0,001113 ữ 0,001413; n = 3,6372 ữ 3,8103.
4. Các thiết bị thí nghiệm đảm bảo tiêu chuẩn cho nên bộ số liệu thí
nghiệm thu đợc có đủ độ tin cậy và mới, có thể sử dụng làm các thông
số đầu vào cho nhiều bài toán tính toán công trình làm việc trên nền san
hô, nh: tính toán công trình kè chống xói lở đảo, công trình ngầm, giao
thông hào, các công trình nhà ở trên đảo hoặc các công trình dạng móng
cọc, vv mà từ trớc tới nay còn khó khăn.
Chơng 4:
Tơng tác giữa cọc đơn và nền san hô
4.1. Mục đích
Giải bài toán tơng tác giữa cọc đơn và nền san hô theo mô hình bài
toán phẳng có sử dụng phần tử tiếp xúc.
4.2. Tổng quan về mô hình tính tơng tác cọc nền
Một số mô hình đã đợc sử dụng, nh:
4.2.1. Tách cọc khỏi nền, thay thế liên kết cọc nền bằng các gối đàn hồi
4.2.2. Xét sự làm việc đồng thời của cọc với nền
+ Sử dụng phần tử phẳng (biến dạng phẳng, ứng suất phẳng)
+ Sử dụng phần tử khối
4.2.3. Xét theo mô hình liên kết một chiều (dùng phần tử tiếp xúc)
































2
; C = k

cos
2
+ k

sin
2

với k

, k

đợc xác định bằng thực nghiệm hoặc theo bảng.
4.5.2. Phơng trình cơ bản của hệ và ví dụ tính
4.5.2.1. Bài toán tĩnh học
Phơng trình cân bằng tĩnh học:
{}()
[]
{
}{}
RUUK = (4.33)
trong đó:
{}()
[]
UK là ma trận độ cứng tổng thể của hệ

{}
U là véc tơ chuyển vị nút của hệ trong hệ toạ độ tổng thể

R
ref
và U
ref
lần lợt là giá trị tải trọng và chuyển vị xem xét.
Trên cơ sở lý thuyết của phơng pháp Newton-Raphson, ta có thuật
toán PTHH giải hệ phơng trình phi tuyến (4.33) nh sau:
Trong mỗi bớc tải, tiến hành giải lặp theo các bớc:
1. Tính ma trận độ cứng ban đầu [K
0
] = [K] là tổng của ma trận độ
cứng cọc, nền và phần tử tiếp xúc (xem nh PTHH bình thờng).
2. Xác định bớc tải R, véc tơ tải trọng
{
}
R tơng ứng tải ban đầu
3. Giải hệ phơng trình (4.33) với các số liệu ban đầu.
4. Kiểm tra điều kiện bền về tách và trợt trên mặt tiếp xúc:
- Nếu ()
i
0 (*), cập nhật giá trị độ cứng (k

)
i
10
-5
và (k

)
i

10
-5
, cập nhật
tải trọng, lặp lại từ bớc 1.
5. Kiểm tra điều kiện hội tụ (4.39) và (4.40):
- Nếu thoả mãn thì tiếp tục gia tải, lặp lại từ bớc 1
- Nếu không thoả mãn thì lặp lại từ bớc 2
6. In số liệu tính, kết thúc tính. 16
Ví dụ số
1) Số liệu đầu bài, mô hình bài toán
a, Số liệu vật liệu nền: (Bảng 4.3)
Bảng 4.3. Thông số nền tính toán
Lớp
Chiều dày
(m)
E (N/cm
2
) (kg/cm
3
)
Hệ số ma sát
với thép
1 2 2,8.10
4
0,22 2,5.10
-3
0,21

N/cm
2
;

= 0,3;

= 7,8.10
-3
(kg/cm
3
).
c, Mô hình bài toán:
Mô hình PTHH của bài toán đợc thể hiện nh hình 4.5.
d, Tải trọng tính: F
x
= 1.200.000N; F
y
= 3.000.000N
2) Kết quả tính toán
Sử dụng chơng trình phần mềm TC2005 đã lập, tiến hành giải bài
toán tĩnh, kết qủa thể hiện trên các đồ thị hình 4.14 ữ 4.19 và bảng 4.7.
0
2
4
6
8
10
12
14
16

20.0
-0.0200 -0.0180 -0.0160 -0.0140 -0.0120 -0.0100 -0 .0080 - 0.0060 -0.0040 - 0.0020 0.0000
Chuy

n v

nút Uy(m)
Toạ độ đứng c

c(m)

Hình 4.15. Chuyển vị nút u
y
của cọc Hình 4.16. Chuyển vị đứng U
y
mặt nền khi có và không kể tách, trợt 18

a, b,
Hình 4.17. ứng suất
x
thay đổi theo chiều sâu của nền, mặt cắt đứng
a, Cách cọc 0,5m và 1,0m (bên trái)
b, Cách cọc 0,5m và 1,0m (bên phải)
0

5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
-30000 -27000 -24000 -21000 -18000 -15000 -12000 -9000 -6000 -3000 0
Xicma-y(N/cm2)
Toạ độ đứng c

c(m)

a, b,
Hình 4.18. ứng suất pháp tuyến
y
trên mép trái cọc
a, Trên mép trái cọc
b, Trên mép phải cọc

(N/cm
2
)
U
x
= 8,90404
U
y
= - 0,736782

y
= 13471,7

y
= -14584,5
40,967241 2,959556
4.5.2.2. Bài toán động lực học:
Phơng trình chuyển động của hệ có dạng:
[]
{
}
{}
[]
{
}
{
}
[
]

Đối với PTTX trong bài toán, bằng thực nghiệm, tác giả xấp xỉ và
đa ra quy luật biến đổi:
t
0
0
ek



=
;


=
'
0
ek
'
0
(4.35)
với:
'
0
'
000
,,, là các hằng số thực nghiệm và bằng thực nghiệm tác
giả đã xác định đợc (
0
,
'

Raphson để tìm nghiệm của phơng trình (4.34) tại bớc lặp thứ i, với
cấp tải trọng tại thời điểm t + t.
Tiêu chuẩn dừng của phép lặp là sự hội tụ của chuyển vị nút hay
nội lực quy nút theo biểu thức sau:
- Tiêu chuẩn dừng của phép lặp theo sự hội tụ của chuyển vị nút:
{}
{}{}
D
t
)i(
tt
)i(
UU
U



+
(4.49)
- Tiêu chuẩn dừng của phép lặp theo sự hội tụ của lực quy nút:

{}{}
[
]
{
}
{}{}
[]
{}
F

]
)1i(
*
tt
K

+
.
4. Tính véc tơ tải trọng hiệu quả
{
}
*
tt
R
+
.
5. Tính số gia chuyển vị
{
}
)i(
U theo giá trị hiện thời của véc tơ tải
trọng
{}
tt
R
+
.
6. Tính luỹ tích của véc tơ chuyển vị nút
{
}

}{ }
)i(
se
tt
se
t
)i(
se
tt ++
+= .
10. Tính ứng suất tiếp giới hạn trên mặt tiếp xúc theo tiêu chuẩn
Morh Coulomb:

+=

tgC
gh
.
11. Kiểm tra sự tách, trợt trên mặt tiếp xúc ở bớc 9 và 10 và cập
nhật ma trận độ cứng của phần tử tiếp xúc: 21
- Nếu 0 (trên mặt tiếp xúc xuất hiện kéo), dẫn đến sự tách cục bộ
của cọc so với nền
k

= 0 và k

= 0. Song để xét đợc quá trình chập

và k

lấy giá trị 10
-5
.
Nếu
0>
, cập nhật độ cứng k

, k

theo bảng 4.2 và (4.35).
12. Tính ma trận độ cứng
[
]
se
K
của phần tử tiếp xúc theo giá trị mới
của k


và k

, cập nhật ma trận độ cứng tổng thể
[
]
)i(
tt
K
+

)i(
tt +
, cập nhật véc tơ nội lực
{
}
)i(
tt
P
+
.
17. Kiểm tra điều kiện hội tụ (4.49), (4.50) và sơ đồ tiếp xúc tại
bớc lặp thứ (i) trùng với sơ đồ tiếp xúc tại bớc lặp thứ (i-1). Nếu không
thoả mãn thì phải tính lặp tiếp và thực hiện lại từ bớc 2 của thuật toán
trên.
Ví dụ số
1) Số liệu bài toán
Mô hình bài toán, số liệu tính toán nh bài toán tĩnh, tiến hành tính
toán với tải trọng nh sau:
- Tải trọng thẳng đứng: F
y
= 3.000.000N
- Tải trọng nằm ngang biến thiên điều hoà F
y
(t) = P
0
sin2ft
Biên độ tải trọng: P
0
= 1.200.000N, tần số f = 4Hz, chọn = 0,02,
0,27773;0,478125

thời gian t của điểm đầu tự do cọc

Hình 4.24. Đồ thị chuyển vị ngang U
x
các nút của cọc tại các thời điểm

Hình 4.25 Hình 4.26
Hình 4.25. Đồ thị ứng suất

y
lớn nhất trong cọc tại mặt cắt ngang
cách đầu tự do 5m (mặt cắt tại mặt nền)
Hình 4.26. Cờng độ lực ma sát trung bình giữa cọc và nền san hô
theo thời gian tác dụng tải, với f = 4Hz, biên độ tải P
0
= 1.200.000N