B
Ộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
B
Ộ XÂY DỰNG
TRƯ
ỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC
HÀ N
ỘI
V
Ũ LÊ MINH
Đ
Ộ TIN CẬY VỀ ỔN ĐỊNH CHUNG CỦA CÔNG TR
ÌNH
D
ẠNG TƯỜNG CỪ CÓ MỘT TẦNG NEO
LU
ẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH XÂY D
ỰNG DÂN DỤNG V
À CÔNG NGHIỆP
Hà Nội - 2011
B
Ộ GIÁO DỤC V
À ĐÀO TẠO
B
Ộ XÂY DỰNG
TRƯ
ỜNG ĐẠI HỌC
KI
ẾN TRÚC
Nội dung
Trang
M
ục lục
1
Danh m
ục các bảng biểu
3
Danh m
ục các hình vẽ
4
L
ời cảm ơn
7
Mở đầu
9
M
ục tiêu nghiên cứu của đề tài
Phương pháp nghiên cứu
N
ội dung nghiên cứu
Ch¬ng 1: Ổn định chung của kết cấu dạng t
ường cừ một
neo và các phương pháp tính toán
11
1.1. Phân tích các d
ạng mất ổn định chung của kết cấu dạng
tư
ờng cừ một neo
11
32
2.2.2. Khái ni
ệm chung về ph
ương pháp Monte Carlo
41
2.3. Tính toán đ
ộ tin cậy về ổn định chung của các công tr
ình
45
2
b
ằng phương pháp mô hì
nh hóa th
ống kê từng bước
2.3.1. Thu
ật toán tiền định
45
2.3.2. Quá trình mô hình hóa th
ống k
ê
47
Ch¬ng 3: Xác đ
ịnh độ tin cậy về ổn định chung của t
ường
c
ừ một neo
51
3.1. Đ
ộ tin cậy của tường cừ một neo về mất ổn định theo mặt
trư
trình bến số 2 cảng Hải Phòng
64
4.1. Tài liệu về công trình bến số 2 cảng Hải Phòng
64
4.2. Tính toán đ
ộ tin cậy về ổn định chung của công trình theo
m
ặt trượt trụ tròn
66
4.2.1. Sơ đ
ồ tính toán công trình
66
4.2.2. N
ội dung và kết quả tính toán
67
4.2.3. Phân tích các k
ết quả tí
nh toán
94
K
ết luận
và ki
ến nghị
95
Tài li
ệu tham khảo
96
3
DANH M
ỤC CÁC
222
yxO
74
B
ảng 4.3. Các số liệu đưa vào tính toán độ tin cậy về ổn định
chung t
ại vị trí tâm trượt
)7,3(
333
yxO
79
B
ảng 4.4. Các số liệu đưa vào tính toán độ tin cậy về ổn định
chung tại vị trí tâm trượt
)109.8,7(
434
mymxO
84
B
ảng 4.5. Các số liệu đưa vào tính toán độ tin cậy về ổn định
chung t
ại vị trí tâm trượt
)109.8,1(
555
mymxO
89
4
DANH M
ỤC CÁC H
ÌNH VẼ
.
21
Hình 1.7. D
ẫn xuất “đặc trưng an toàn” của Rgianitsưn A. R
.
22
Hình 2.1. Tìm k
ỳ vọng và phương sai của
Y.
33
Hình 2.2. Sơ đ
ồ khối của phương pháp tuyến tính hóa
.
41
Hình 3.1. Sơ đ
ồ tính tường cừ một neo theo mặt trượt trụ tròn.
52
Hình 3.2. Bi
ểu đồ thực nghiệm của mômen gây tr
ượt
M
tr
.
57
Hình 3.3. Bi
ểu đồ thực nghiệm của mômen giữ
M
g
.
58
Hình 4.5. Sơ đ
ồ phân mảnh các cột đất tính toán ổn định chung
công trình b
ến số 2 Cảng Hải Ph
òng.
67
Hình 4.6. Sơ đ
ồ tính toán xác suất công tr
ình bến số 2 Cảng Hải
Phòng v
ề ổn định chung tại vị trí t
âm trư
ợt
)5,3(
111
mymxO
.
68
Hình 4.7. Bi
ểu đồ thực ng
hi
ệm phân bố của mômen giữ
M
g
đ
ối
v
ới tâm tr
ượt O
1
ới tâm trượt O
2
76
Hình 4.11. Biểu đồ thực nghiệm phân bố của mômen gây tr
ượt
M
tr
đ
ối với tâm trượt O
2
.
77
Hình 4.12. Sơ đ
ồ tính toán xác suất công tr
ình bến số 2 Cảng Hải
Phòng v
ề ổn định chung tại vị trí tâm trượt
)7,3(
333
yxO
78
Hình 4.13. Bi
ểu đồ thực ng
hi
ệm phân bố của mômen giữ
M
g
đ
ối
v
hi
ệm phân bố của mômen giữ
M
g
đ
ối
v
ới tâm tr
ượt O
4
87
Hình 4.18. Bi
ểu đồ thực ng
hi
ệm phân bố của mômen gây tr
ượt
M
tr
đ
ối với tâm tr
ượt O
4
87
Hình 4.19. Sơ đồ tính toán xác suất công trình bến số 2 Cảng Hải
Phòng v
ề ổn định chung tại vị trí tâm trượt
)109.8,1(
555
mymxO
89
ến số 2 Cảng Hải
Phòng.
94
Hình 4.23. Sơ đ
ồ tính ổn định trượt sâu của công trình bến số 2
c
ảng Hải Phòng theo phương pháp Bishop
96
Hình 4.24. K
ết quả tính ổn định trượt sâu của công trình bến số 2
c
ảng Hải P
hòng theo ph
ương pháp Bishop
96
Hình 4.25. Đư
ờng chu tuyến ứng với hệ số ổn định
minO
K
.
97
7
Lêi c¶m ¬n
N
ền kinh tế của nước ta ngày càng
phát tri
ển
m
ạnh mẽ
. Song song v
à gây nên những tổn hại không nhỏ trong đời sống kinh tế
xã h
ội. Ví dụ nh
ư công trình nhà máy điện nguyên tử Trecnôb
ưn, c
ầu R
ào
(HP), r
ạp hát Nguyễn Tr
ãi (Hà Đông), siêu thị Sơun, dàn khoan biển Bắc, 11
nhà máy đi
ện hạt nhân của Nhật
B
ản phải đóng cửa (2004) để kiểm tra r
ò rỉ
hơi nư
ớc; sập mái chợ Maxc
ơva (2/2006) do tuyết rơi dày, và nhiều công
trình nh
ỏ bị sự cố
,… Năm 2007 s
ự cố sập hai nhịp cầu dẫn cầu Cần Th
ơ; sập
cầu trên sông Mississippi.
Đ
ể khắc phục hiện t
ượng kết cấu công trìn
h xây d
ựng bị h
ư hỏng do các
đã tạo điều kiện, tận tình chỉ bảo và giúp đỡ tôi trong suốt quá trình
học tập và nghiên cứu.
Cuối cùng, tôi cũng xin được tỏ lòng cảm ơn tới đồng nghiệp, bạn bè và
gia đình, sự khích lệ động viên tạo điều kiện về vật chất cũng như tinh thần là
một nguồn lực to lớn giúp tôi vượt qua những khó khăn trong suốt quá trình
học tập và nghiên cứu để hoàn thành luận văn thạc sĩ kỹ thuật này.
Hà Nội, ngày 18 tháng 02 năm 2011
Học viên
V
ũ Lê Minh
9
MỞ ĐẦU
Tại Việt Nam quá tr
ình đô thị hoá đang diễn ra một cách mạnh mẽ,
hàng
lo
ạt các công trình ngầm đô thị như tầng hầm cho các nhà cao tầng, khách
s
ạn, các đường hầm chui qua đường giao thông, các gara ôtô ngầm dưới
đ
ất
…đang đư
ợc xây dựng ở các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí
Minh, H
ải Phòng, Đà Nẵng và các khu đô thị khác trên cả nước
. Các công
trình bến, cảng biển lớn như Cảng Hoàng Diệu- Hải Phòng, cảng Cái Lân-
Qu
ảng Ninh… cũng đã được nâng cấp và xây mới. Việc lựa chọn phương án
thi
ịnh
. Đ
ã có nhi
ều p
hương pháp đư
ợc n
êu ra để tính ổn định chung của công
trình t
ư
ờng cừ một neo. Các phương pháp này phản ánh ở mức độ nào đó thực
tr
ạng của công tr
ình khi bị mất ổn định. Nhưng vấn đề trở nên phức tạp khi
xét đ
ến đặc tính ngẫu nhi
ên của các tham số kết cấu,
t
ải trọng, đất nền v
à đất
l
ấp được sử dụng trong tính toán.
Đề tài "Đ
ộ tin cậy về ổn định chung của
công trình d
ạng tường cừ có một tầng neo
'' được chọn làm nội dung
nghiên cứu của luận văn.
Mục tiêu nghiên cứu của đề tài:
Mục tiêu của đề tài là nghiên cứu cơ sở lý thuyết ti
ền định của phương
ờng cừ một neo.
Chương 3. Xác đ
ịnh độ tin cậy về ổn định chung của t
ường cừ một neo.
Chương 4. Tính toán đ
ộ tin cậy về ổn định chung của công tr
ình bến số 2,
c
ảng Hải Phòng.
Các kết quả nghiên cứu của đề tài luận văn có thể được sử dụng làm tài
liệu tham khảo, nghiên cứu và áp dụng tính toán đ
ộ tin cậy
khi thi
ết kế v
à thi
công công trình ngầm đô thị có s
ử dụng kết cấu tường cừ một neo
, công trình
b
ến cảng biển
và nếu được hoàn thiện thêm, sẽ là cơ sở khoa học để kiến nghị
đưa vào các tiêu chu
ẩn tính toán hiện hành
ở Việt Nam.
Do trình độ và năng lực có hạn, dù tôi đã cố gắng rất nhiều nhưng chắc
chắn nội dung luận văn khó có thể tránh khỏi sai sót, rất mong các thầy giáo,
cô giáo, các bạn đồng nghiệp góp ý.
11
Chương 1
T
h; d) làm tư
ờng ụ tàu khô.
c)
b)
a)
d)
12
K
ết cấu tường cừ có một neo có thể được sử dụng làm tường
chắn ở hai
bên c
ủa đ
ường lên xuống
và trong các t
ầng ngầm của các nh
à cao tầng
, tường
chắn của các đường hầm trong giao thông đường bộ, tường của các hố móng
có chiều cao lớn và thời gian thi công dài,… Trong ngành C
ảng
- đư
ờng thủy,
k
ết cấu t
ường cừ có một neo được sử dụng cho các loại bến có các quy mô
khác nhau, ho
ặc l
àm công trình phía sau cầu tàu chính, nối cầu chính với bờ
và đ
ảm bảo ổn định cho cầu ch
n
ền giữ cho t
ường ổn định.
2. Thanh neo và các liên k
ết:
M
ục ti
êu sử dụng neo là để cải thiện khả năng làm việc của kết cấu
tư
ờng chắn, tức l
à giữ cho tường chắn ổn định, phân phối lại mô men trên
1
2
3
MN
0.00
4
5
13
tư
ờng. Như vậy, neo cần phải thoả mãn về độ bền (sức chịu nhổ, chịu kéo) và
s
ự l
àm
vi
ệc chung của cả hệ thống (tức sự t
ương tác lẫn nhau). Cấu tạo neo
g
ồm 3 phần sau:
- Ph
ờng neo
ho
ặc bầu neo.
B
ản neo hoặc tường neo thường được làm bằng bê tông cốt thép.
Trong trường hợp tường mặt bằng cọc ván thép, bản neo được làm từ cọc ván
thép tư
ờng mặt với chiều dài hợp lý.
B
ầu neo l
à ph
ần cuối cùng của neo được cố định chắc chắn vào nền
đ
ất cố định. Nó phải đảm bảo khả năng dính bám với đất và không làm mở
r
ộng vùng biến dạng dẻo của
đ
ất nền bao quanh nó. Vì vậy, vùng này phải có
kích thư
ớc đủ lớn và cần được củng cố bằng cách mở rộng vùng neo, cải thiện
ph
ần đất quanh vùng veo, tăng độ sâu và chiều dài dính bám của
b
ầu
neo,
3. Kh
ối đất tác dụng t
ương hỗ với công trình: Cùng làm việc v
ới công
trình ch
ồ tr
ượt sâu theo mặt trượt gãy khúc.
MN
0.00
MN
0.00
Các mặt trượt có thể xảy ra
15
- M
ất ổn định xoay quanh điểm gắn
neo.
Hình 1.5. Sơ đ
ồ tính
v
ề ổn định xoay quanh điểm gắn neo.
Công trình mất ổn định xoay quanh điểm gắn neo thường chỉ xảy ra trong
nh
ững trường hợp riêng biệt: tường mặt làm việc theo sơ đồ tường cứng và
t
ựa tự do trong nền
, ho
ặ
c n
ền đất tr
ư
ớc tường quá yếu,…
Vì th
ế trong luận văn
ch
ỉ xét hai trường hợp trượt sâu của công trình: t
ột trong hai nhóm
các phương pháp sau:
- Nhóm 1: Nhóm các phương pháp gi
ả thiết tr
ước hình dạng của mặt
trư
ợt v
à coi khối trượt như một vật thể rắn ở trạn
g thái cân b
ằng giới hạn. Các
MN
0.00
q
B
E
a3
E
a4
E
h
E
a1
E
a2
E
a5
E
a6
E
a7
ạp, tốn nhiều công sức nên nhóm phương pháp này chưa được ứng dụng rộng
rãi trong th
ực tế. Đại diện cho nhóm này là các
phương pháp c
ủa W. Rankine,
F. Kotter, V. V. Xôcôl
ốvsky,…
Nhóm phương pháp gi
ả thiết trước hình dạng của mặt trượt, đặc biệt là
dạng mặt trượt trụ tròn đối với đất dính, mặc dù có những hạn chế nhất định
nhưng đư
ợc áp dụng phổ biến trong thực tế do tính đơ
n gi
ản và thiên về an
toàn hơn so v
ới các phương pháp nhóm thứ hai. Phương pháp tính toán ổn
đ
ịnh tường cừ một neo dựa trên giả thiết mặt trượt trụ tròn đã được K. E.
Pettecxon nêu ra năm 1916, sau đó đư
ợc phát triển bởi nhiều nhà khoa học
khác như H. Krey-Bishop, K. Terzaghi, W. Fellenius,… và đư
ợc đánh giá là
tương đ
ối phù hợp với thực tế.
Vì th
ế trong luận văn, phương pháp tính toán
ổn định t
ư
ờng cừ một neo theo mặt trượt trụ tròn được lấy làm phương pháp
ti
l
ạc: N. X. Streletsky, V. M. Kelđ
ưsh, A. A. Gvôzđév, I. I. Golđenblat, V
. A.
Balđin và nh
ững ng
ười khác. Hội đồng này lần đầu tiên đã đề nghị một
phương hư
ớng mới trong tính toán các kết cấu xây dựng:
phương pháp các
trạng thái giới hạn. Các phương pháp tương tự cũng được sử dụng ở nhiều
nư
ớc khác trên thế giới dưới tên gọi “p
hương pháp bán xác su
ất”, chúng là cơ
s
ở cho nhiều Tiêu chuẩn thiết kế của Châu Âu và Tiêu chuẩn ISO [
22].
Trong phương pháp m
ới, một hệ số an toàn duy nhất của phương pháp tải
tr
ọng phá hoại đã được thay thế bằng hàng loạt các hệ số, xét đến các yếu tố
khác nhau
ảnh hưởng đến trạng thái kết cấu:
- Hệ số độ tin cậy về vật liệu;
- Các hệ số độ tin cậy về tải trọng (hệ số vượt tải và hệ số tổ hợp tải
tr
ọng);
- Các h
ệ số điều kiện làm việc của kết cấu và các cấu kiện của nó;
[7]. Các tr
ạng thái giới hạn có thể xảy ra
c
ủa các kết cấu v
à nền của chúng được chia thành các
nhóm.
Các tr
ạng thái giới hạn thuộc nhóm thứ nhất: Đó l
à các dạng phá hoại
d
ẫn đến l
àm mất khả năng chịu tải của các cấu kiện hoặc dẫn đến sự bất lợi
18
hoàn toàn cho vi
ệc khai thác công trình. Các dạng phá hoại như thế liên quan
đ
ến mất ổn định về h
ình dạng
và v
ị trí, xuất hiện sự chảy dẻo của vật liệu, mở
r
ộng vết nứt quá mức,…
Các tr
ạng thái giới hạn thuộc nhóm thứ hai: đó l
à các trạng thái gây khó
khăn cho vi
ệc khai thác b
ình thường các công trình và được đặc trưng bởi các
bi
ến dạng, chuyển vị tịnh tiến v
Trong các công th
ức (1.1) và (1.2):
p
F
– giá tr
ị tải trọng tính toán:
p
F
=
n
f
F
n
, trong đó: n
f
– h
ệ số vượt tải,
n
F
– giá tr
ị tả
i tr
ọng tiêu chuẩn;
p
R
– giá
trị cường độ tính toán của vật liệu kết cấu:
p
R
= R
– h
ệ số độ chính xác do công nghệ;
C – h
ằng
s
ố, được cho trước đối với một số trạng thái giới hạn (về độ võng, bề rộng vết
n
ứt,…);
a
i
– hàm các tham s
ố kích thước của kết c
ấu; b
i
– hàm các tham s
ố
c
ủa mặt cắt ngang các cấu kiện,…
19
Phương pháp các tr
ạng thái giới hạn là thành tựu to lớn của loài người
trong quá trình hoàn thi
ện các ph
ương pháp tính toán các kết cấu xây dựng.
Vi
ệc áp dụng ph
ương pháp các trạng thái giới hạn c
ho phép xét đ
ến sự l
àm
ến hành trong 40
-50 năm
qua [5, 7, 14, 15] đã khẳng định: các tham số của kết cấu và tải trọng được
dùng trong tính toán các công trình không ph
ải là các đại lượng không đổi mà
là các đ
ại lượng ngẫu nhiên. Ngoài ra, trong phương pháp các trạng thái giới
h
ạn việc lấy nhiều hệ số an toàn theo kinh nghiệm để bù vào mức độ không
đáng tin c
ậy của hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái kết cấu cũng
mang tính ti
ền định và ước lệ [9
].
Vì th
ế, ngày nay trên thế giới người ta đã sử dụng tương đối phổ biến cá
c
phương pháp xác su
ất v
à độ tin cậy trong tính toán các công trình xây dựng và
n
ền của chúng. Đây l
à hệ phương pháp tiên tiến để tính toán các kết cấu xây
d
ựng, đang đ
ược áp dụng ở nhiều nước phát triển trên thế giới. Ở các nước
như Nga, M
ỹ, Trung Quốc, N
h
ật Bản, đều đ
ộ tin cậy
c
ủa kết cấu [7
]. Khái niệm độ tin cậy bao h
àm lư
ợng thông tin rất
l
ớn. Tuy nhi
ên, người ta coi đặc trưng cơ bản của độ tin cậy của công trình là
xác su
ất l
àm việc an toàn
(không có s
ự cố) của nó trong một thời hạn khai
thác xác định. Sự cố là biến cố ngẫu nhiên phá hoại khả năng làm việc của cấu
ki
ện hoặc của hệ thống. Khái niệm sự cố rất gần với khái niệm trạng thái giới
h
ạn trong tính toán tiền định, vì thế có thể coi điều kiện làm việc không xảy ra
các s
ự cố trùng với điều kiện không xảy ra các trạng thái giới hạn của kết cấu,
các tr
ạng thái giới hạn này đã được thiết lập bởi các
tài li
ệu tiêu chuẩn hiện
hành [7, 9].
Các phương pháp tính toán công tr
ình theo độ tin cậy, khi coi các tham
số tính toán của kết cấu và tải trọng là các đại lượng ngẫu nhiên, cho ta biết
đư
ện nh
ư trên hình
1.5. Ký hi
ệu giá trị trung b
ình hoặc kỳ vọng toán
c
ủa
đ
ộ bền kết cấu l
à
R
, đ
ộ lệch chuẩn
–
R
. Đ
ối với tải trọng, t
ương tự ký hiệu
là
S
và
S
. Các đư
ờ
ng cong phân b
ố cắt nhau tại điểm tương ứng với độ bền
R
o
xác su
ất xuất hiện đồng thời hai biến cố nói tr
ên (xác suất xảy ra sự cố) bằng
tích các xác su
ất xuấ
t hi
ện của mỗi biến cố ri
êng biệt. Đại lượng ngược với
xác su
ất xảy ra sự cố về ý nghĩa
– chính là xác su
ất l
àm việc an toàn của kết
cấu và được gọi là “đảm bảo không phá hoại” Г:
1
1
2
, (1.3)
ở đây
1
,
2
– là xác su
ất xuất hiệ
n các bi
ến cố nói tr
ên (hình 1
.6), đư
ợc xác
toàn khi đó l
ại quá cao vì không xét được tất cả các tổ hợp có thể có của
R và
S [7].
p(S), p(R)
S
o
= R
o
S , R
1
2
p(S)
p(R)
22
T
ừ năm 1952 độ tin cậy của kết cấu được Rgianitsưn A. R. định ng
h
ĩa
ch
ặt chẽ h
ơn khi ông đưa vào khái niệm
hàm không phá ho
ại
[7]:
SR
. (1.4)
Hình 1.7. D
Rgianitsưn A. R. đ
ã
đưa vào trong tính toán đại lượng
=
22
SR
SR
(1.7)
và g
ọi l
à “đặc trưng an toàn” của kết cấu.
Như v
ậy, “đ
ặc tr
ưng an toàn”
chính là đ
ộ tin cậy của kết cấu ở dạng
không tư
ờng minh, nó có ý nghĩa nh
ư công cụ ở dạng công thức toán học để
S , R
dpQ
(1.8)
ở đây
0
2
)
2
exp(
2
1
)( d
là hàm Laplax, các giá tr
ị của nó đ
ã được lập
thành b
ảng.
Trong Tiêu chu
ẩn của Trung Quốc [
21] và c
ủa Nhật Bản năm
2007 [23],
ngư
ời ta đều gọi “đặc trưng an toàn”
c
ậy ở mức 2 (xem bảng
1.2): đ
ối với cầu tàu và các công trình cảng, chỉ số đ
ộ
tin c
ậy cho phép
a
đư
ợc lấy bằng 2
4; đ
ối với các dạng đê chắn sóng khác
nhau, ch
ỉ số
a
= 2,04
3,60; đ
ối với các công trình rất quan trọng, như lò
ph
ản ứng hạt nhân, ch
ỉ số
a
đư
ợc lấy bằng 5
Copyright: Tài liệu đại học ©