BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
-------------------------

VŨ LÊ MINH

ĐỘ TIN CẬY VỀ ỔN ĐỊNH CHUNG CỦA CÔNG TRÌNH
DẠNG TƯỜNG CỪ CÓ MỘT TẦNG NEO

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

Hà Nội - 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KIẾN TRÚC HÀ NỘI
-----------------------

VŨ LÊ MINH
KHÓA: 2008-2011

LỚP: CH08X

ĐỘ TIN CẬY VỀ ỔN ĐỊNH CHUNG CỦA CÔNG TRÌNH


Lời cảm ơn

7

Mở đầu

9

Mục tiêu nghiên cứu của đề tài
Phương pháp nghiên cứu
Nội dung nghiên cứu
Ch­¬ng 1: Ổn định chung của kết cấu dạng tường cừ một

11

neo và các phương pháp tính toán
1.1. Phân tích các dạng mất ổn định chung của kết cấu dạng
tường cừ một neo
1.2. Các phương pháp tính ổn định chung của tường cừ một neo
theo quan điểm tiền định

11
15

1.3. Phân tích phương pháp tính ổn định theo trạng thái giới hạn
và tiền đề dẫn đến tính toán ổn định của kết cấu tường cừ một

16


2.3.1. Thuật toán tiền định

45

2.3.2. Quá trình mô hình hóa thống kê

47

Ch­¬ng 3: Xác định độ tin cậy về ổn định chung của tường

51

cừ một neo
3.1. Độ tin cậy của tường cừ một neo về mất ổn định theo mặt
trượt trụ tròn
3.1.1. Thuật toán tiền định tính ổn định chung của tường cừ
một neo theo mặt trượt trụ tròn
3.1.2. Xác định xác suất làm việc an toàn của tường cừ một
neo về ổn định chung theo mặt trượt trụ tròn

51

51

55

3.2. Độ tin cậy của tường cừ một neo về mất ổn định theo mặt
trượt phẳng
3.2.1. Thuật toán tiền định tính ổn định chung của kết cấu
theo mặt trượt phẳng

Tài liệu tham khảo

96


3

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU
Trang
Bảng 1.1. Mức độ an toàn của công trình theo Tiêu chuẩn Trung
Quốc
Bảng 1.2. Các mức thiết kế kết cấu theo Tiêu chuẩn Nhật Bản

23
24

Bảng 4.1. Các số liệu đưa vào tính toán độ tin cậy về ổn định
chung tại vị trí tâm trượt O1 ( x1 = 3m, y1 = 5m)

68

Bảng 4.2. Các số liệu đưa vào tính toán độ tin cậy về ổn định
chung tại vị trí tâm trượt O2 ( x2 = 3, y2 = 3)

74

Bảng 4.3. Các số liệu đưa vào tính toán độ tin cậy về ổn định
chung tại vị trí tâm trượt O3 ( x3 = 3, y3 = 7)

79

14

Hình 1.4. Sơ đồ trượt sâu theo mặt trượt gãy khúc.

14

Hình 1.5. Sơ đồ tính về ổn định xoay quanh điểm gắn neo.

15

Hình 1.6. Sự giao nhau của các đường cong phân bố độ bền và
tải trọng.

21

Hình 1.7. Dẫn xuất “đặc trưng an toàn” của Rgianitsưn A. R.

22

Hình 2.1. Tìm kỳ vọng và phương sai của Y.

33

Hình 2.2. Sơ đồ khối của phương pháp tuyến tính hóa.

41

Hình 3.1. Sơ đồ tính tường cừ một neo theo mặt trượt trụ tròn.

52


67
67

Hình 4.6. Sơ đồ tính toán xác suất công trình bến số 2 Cảng Hải
Phòng về ổn định chung tại vị trí tâm trượt O1 ( x1 = 3m, y1 = 5m) .
Hình 4.7. Biểu đồ thực nghiệm phân bố của mômen giữ Mg đối
với tâm trượt O1.

68
71


5

Hình 4.8. Biểu đồ thực nghiệm phân bố của mômen gây trượt Mtr
đối với tâm trượt O1.
Hình 4.9. Sơ đồ tính toán xác suất công trình bến số 2 Cảng Hải
Phòng về ổn định chung tại vị trí tâm trượt O2 ( x2 = 3m, y2 = 3m)
Hình 4.10. Biểu đồ thực nghiệm phân bố của mômen giữ Mg đối
với tâm trượt O2
Hình 4.11. Biểu đồ thực nghiệm phân bố của mômen gây trượt
Mtr đối với tâm trượt O2.
Hình 4.12. Sơ đồ tính toán xác suất công trình bến số 2 Cảng Hải

72
73

76
77


trí

tâm

trượt

84

O4 ( x4 = 7m, y3 = 8.109m)

Hình 4.17. Biểu đồ thực nghiệm phân bố của mômen giữ Mg đối
với tâm trượt O4
Hình 4.18. Biểu đồ thực nghiệm phân bố của mômen gây trượt
Mtr đối với tâm trượt O4

87

87

Hình 4.19. Sơ đồ tính toán xác suất công trình bến số 2 Cảng Hải
Phòng về ổn định chung tại vị trí tâm trượt O5 ( x5 = 1m, y5 = 8.109m)
Hình 4.20. Biểu đồ thực nghiệm phân bố của mômen giữ Mg đối
với tâm trượt O5
Hình 4.21. Biểu đồ thực nghiệm phân bố của mômen gây trượt
Mtr đối với tâm trượt O5

89

92

tính toán các công trình xây dựng theo các quy phạm hiện hành được gọi là
phương pháp các trạng thái giới hạn. Đặc điểm của phương pháp này là mang
tính chất tiền định, không xét một cách đầy đủ tính chất ngẫu nhiên của các
tham số kết cấu và tải trọng được đưa vào tính toán, cũng như không xét đến
các yếu tố thời gian. Vì thế trong quá trình khai thác sử dụng, không ít những
công trình xây dựng, giao thông, thủy lợi đã bị biến dạng hoặc phá hoại trước
thời gian quy định và gây nên những tổn hại không nhỏ trong đời sống kinh tế
xã hội. Ví dụ như công trình nhà máy điện nguyên tử Trecnôbưn, cầu Rào
(HP), rạp hát Nguyễn Trãi (Hà Đông), siêu thị Sơun, dàn khoan biển Bắc, 11
nhà máy điện hạt nhân của Nhật Bản phải đóng cửa (2004) để kiểm tra rò rỉ
hơi nước; sập mái chợ Maxcơva (2/2006) do tuyết rơi dày, và nhiều công
trình nhỏ bị sự cố,… Năm 2007 sự cố sập hai nhịp cầu dẫn cầu Cần Thơ; sập
cầu trên sông Mississippi.
Để khắc phục hiện tượng kết cấu công trình xây dựng bị hư hỏng do các
tác động ngẫu nhiên, người ta sử dụng lý thuyết độ tin cậy để tính toán. Tính
toán theo lý thuyết độ tin cậy là xu hướng mới mà nhiều nước đang áp dụng.
Xu hướng này đã và đang được áp dụng ở Vệt Nam.
Vı̀ vâ ̣ y đề tà"Độ
i tin cậy về ổn định chung của công trình dạng tường
cừ có một tầng neo '' đươ ̣ c cho ̣ n là m nô ̣ i dung nghiên cứ u củ a luâ ̣ n văn.


8

Vớ i sự nỗ lự c củ a bả n thân cô ̣ ng vớ
i sự hướ ng dẫn tâ ̣ n tı̀ nh củaTS.
Nguyễn Văn Vi, luâ ̣ n văn đã hoà n thà nh theo đú
ng đề cương đă ̣ t ra.
Tôi xin bà y tỏ lò ng kı́ nh tro ̣ ng và biế t ơn sâu sắ c đế n thầ y hướ ng dẫn TS
.

thiết kế, thi công công trình ngầm và các công trình bến cảng luôn là bài toán
phức tạp. Có nhiều dạng kết cấu được sử dụng trong thiết kế và thi công các
công trình nói trên nhưng kết cấu dạng tường cừ một tầng neo đang được sử
dụng nhiều với ưu điểm lớn như: Giảm chiều sâu chôn tường, phương pháp
thi công nhanh và ít tốn kém. Một trong những vấn đề quan trọng, được đặc
biệt chú ý khi thiết kế, thi công và khai thác các công trình tường cừ một neo
là ổn định của chúng. Trong nhiều trường hợp, công trình đảm bảo đủ độ bền,
độ cứng nhưng vẫn bị loại bỏ, không thể khai thác được nữa do bị mất ổn
định. Đã có nhiều phương pháp được nêu ra để tính ổn định chung của công
trình tường cừ một neo. Các phương pháp này phản ánh ở mức độ nào đó thực
trạng của công trình khi bị mất ổn định. Nhưng vấn đề trở nên phức tạp khi
xét đến đặc tính ngẫu nhiên của các tham số kết cấu, tải trọng, đất nền và đất
lấp được sử dụng trong tính toán. Đề tà i "Độ tin cậy về ổn định chung của
công trình dạng tường cừ có một tầng neo '' đươ ̣ c cho ̣ n là m nô ̣ i dung
nghiên cứ u củ a luâ ̣ n văn.
Mu ̣ c tiêu nghiên cứ u củ a đề tà i:
Mu ̣ c tiêu củ a đề tà i là nghiên cứ u cơ sở lý thuyế ttiền định của phương
pháp tính ổn định trượt sâu theo mặt trượt gãy khúc và mặt trượt trụ tròn đồng


10

thời nghiên cứu độ tin cậy về ổn định chung của công trình dạng tường cừ
một neo và kiến nghị đưa vào áp dụng trong các tiêu chuẩn tính toán hiện
hành ta ̣ i Viê ̣ t Nam.
Phương phá p nghiên cứ u:
Để đa ̣ t đươ ̣ c mu ̣ c tiêu nghiên cứ u nêu trên cầ n sử du ̣ ng tổ hơ ̣ p cá c
phương phá p nghiên cứ u sau:
- Phương phá p nghiên cứ u lý thuyế t.
- Phương phá p phân tı́ ch tư duy hê ̣ thố ng.

Phân tích các dạng mất ổn định chung của kết cấu dạng tường cừ
một neo.
Công trình dạng tường cừ có một neo là loại kết cấu xây dựng có nhiều

ưu điểm và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
a)

b)

c)

d)

Hình 1.1. Kết cấu tường cừ có một neo: a) làm tường chắn ở các tầng ngầm
của các nhà cao tầng hoă ̣ c củ a các đường hầm giao thông đường bộ; b) làm
công trình bến; c) ở sau cầu tàu chính; d) làm tường ụ tàu khô.


12

Kết cấu tường cừ có một neo có thể được sử dụng làm tường chắ n ở hai
bên của đường lên xuống và trong các tầng ngầm của các nhà cao tầng, tường
chắ n củ a các đường hầm trong giao thông đường bộ, tườ ng củ a cá c hố mó ng
có chiề u cao lớ n và thờ i gian thi công dà i,… Trong ngành Cảng - đường thủy,
kết cấu tường cừ có một neo được sử dụng cho các loại bến có các quy mô
khác nhau, hoặc làm công trình phía sau cầu tàu chính, nối cầu chính với bờ
và đảm bảo ổn định cho cầu chính. Loại kết cấu này cũng có thể được sử dụng
làm tường các ụ tàu khô trong các nhà máy đóng và sửa chữa tàu thủy, làm
tường các âu tàu, làm công trình kè bờ,…
Kết cấu dạng tường cừ một neo có cấ u ta ̣ o và cá c bô ̣ phâchủ


tường. Như vậy, neo cần phải thoả mãn về độ bền (sức chịu nhổ, chịu kéo) và
sự làm việc chung của cả hệ thống (tức sự tương tác lẫn nhau). Cấu tạo neo
gồm 3 phần sau:
- Phần đầu thanh neo: Là phần liên kết với kết cấu tường chắn. Nó
phải đảm bảo vững chắc đầu neo và không làm biến dạng hay phá huỷ cục bộ
tường chắn.
- Phần thân tự do: Là phần truyền tải giữa phần đầu và phần cố định.
Phần tự do (thân neo) cần có cường độ và tiết diện đảm bảo chịu được sức
căng. Chiều dài phần tự do phải đủ để phần cố định của neo nằm vào vùng đất
ổn định sau mặt trượt tiềm năng một đoạn χ nào đó theo giá trị χ được khuyến
cáo lựa chọn bằng 1,5m hay 0,2H hoặc lớn hơn (H là chiều cao tường chắn).
- Phần neo: phần cuối của kết cấu neo có thể là bản neo, tường neo
hoặc bầu neo.
Bản 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 tường mặt với chiều dài hợp lý.
Bầu neo là phần cuối cùng của neo được cố định chắc chắn vào nền
đất cố định. Nó phải đảm bảo khả năng dính bám với đất và không làm mở
rộng vùng biến dạng dẻo của đất nền bao quanh nó. Vì vậy, vùng này phải có
kích thước đủ lớn và cần được củng cố bằng cách mở rộng vùng neo, cải thiện
phần đất quanh vùng veo, tăng độ sâu và chiều dài dính bám của bầu neo,...
3. Khối đất tác dụng tương hỗ với công trình: Cùng làm việc với công
trình chịu tác động của các loại tải trọng,…
Thực tế khai thác các công trình tường cừ có một neo đã chỉ ra rằng, khi
mất ổn định chung theo sơ đồ trượt sâu, công trình cùng với khối đất nền và
đất lấp có thể mất ổn định chung theo một trong các dạng sau:


14

0.00

Zp

Ea4

Z5

Ea3

Z2

MN

Eh

Ea5
Ea6

Ep

Ea7

B

Hình 1.5. Sơ đồ tính về ổn định xoay quanh điểm gắn neo.
Công trình mất ổn định xoay quanh điểm gắn neo thường chỉ xảy ra trong
những trường hợp riêng biệt: tường mặt làm việc theo sơ đồ tường cứng và
tựa tự do trong nền, hoặc nền đất trước tường quá yếu,…Vì thế trong luận văn
chỉ xét hai trường hợp trượt sâu của công trình: trượt theo mặt trượt gãy khúc

Pettecxon nêu ra năm 1916, sau đó được phát triển bởi nhiều nhà khoa học
khác như H. Krey-Bishop, K. Terzaghi, W. Fellenius,… và được đánh giá là
tương đối phù hợp với thực tế. Vì thế trong luận văn, phương pháp tính toán
ổn định tường cừ một neo theo mặt trượt trụ tròn được lấy làm phương pháp
tiền định, làm cơ sở cho tính toán xác suất ổn định của tường.
1.3. Phân tích phương pháp trạng thái giới hạn và tiền đề dẫn đến tính
toán ổn định của kết cấu tường cừ một neo theo lý thuyết độ tin cậy.


17

Theo tà i liê ̣ u 7],
[ vào cuối những năm 40 của thế kỷ XX, với mục đích
tạo ra các Quy phạm và Tiêu chuẩn mới để tính toán và thiết kế các kết cấu
xây dựng, ở Liên Xô đã thành lập Hội đồng nhà nước về chuẩn hoá các
phương pháp tính toán. Thành phần Hội đồng gồm các nhà bác học xô-viết lỗi
lạc: N. X. Streletsky, V. M. Kelđưsh, A. A. Gvôzđév, I. I. Golđenblat, V. A.
Balđin và những người khác. Hội đồng này lần đầu tiên đã đề nghị một
phương hướng 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
nước khác trên thế giới dưới tên gọi “phương pháp bán xác suất”, chúng là cơ
sở cho nhiều Tiêu chuẩn thiết kế của Châu Âu và Tiêu chuẩn ISO [22].
Trong phương pháp mới, một hệ số an toàn duy nhất của phương pháp tải
trọng 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
trọng);
- Các hệ số điều kiện làm việc của kết cấu và các cấu kiện của nó;
- Các hệ số độ chính xác của các thao tác công nghệ;


(1.2)

trong đó, vế trái có thể là giá trị độ võng, bề rộng vết nứt,…, còn vế phải là
giá trị giới hạn cho phép của các đại lượng trên, được cho trong các tài liệu
tiêu chuẩn.
Trong các công thức (1.1) và (1.2): F p – giá trị tải trọng tính toán: F p =
nf Fn, trong đó: nf – hệ số vượt tải, Fn – giá trị tải trọng tiêu chuẩn; R p – giá
trị cường độ tính toán của vật liệu kết cấu: R p = Rn /nm , trong đó: nm – hệ số
độ tin cậy về vật liệu; Rn – giá trị cường độ tiêu chuẩn của vật liệu; kn – hệ số
độ tin cậy về tính chất quan trọng của kết cấu; nc – hệ số tổ hợp tải trọng; md
– hệ số điều kiện làm việc; ma – hệ số độ chính xác do công nghệ; C – hằng
số, được cho trước đối với một số trạng thái giới hạn (về độ võng, bề rộng vết
nứt,…); ai – hàm các tham số kích thước của kết cấu; bi – hàm các tham số
của mặt cắt ngang các cấu kiện,…


19

Phương pháp các trạng thái giới hạn là thành tựu to lớn của loài người
trong quá trình hoàn thiện các phương pháp tính toán các kết cấu xây dựng.
Việc áp dụng phương pháp các trạng thái giới hạn cho phép xét đến sự làm
việc đặc thù của các kết cấu khác nhau, và ở mức độ nào đó xét đến tính biến
đổi, phân tán thực tế của tải trọng và các tính chất của các vật liệu xây dựng,
của đất nền và đất lấp.
Từ năm 1955 đến nay phương pháp các trạng thái giới hạn đã được sử
dụng rộng rãi ở hầu hết các nước trên thế giới để tính toán và thiết kế tất cả
các kết cấu xây dựng.
Tuy nhiên, phương pháp các trạng thái giới hạn hay “các phương pháp
bán xác suất” nói chung có mâu thuẫn cơ bản trong phương pháp luận của

các sự cố trùng với điều kiện không xảy ra các trạng thái giới hạn của kết cấu,
các trạng thái giới hạn này đã được thiết lập bởi các tài liệu tiêu chuẩn hiện
hành [7, 9].
Các phương pháp tính toán công trình 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
được một cách định lượng khả năng xảy ra trạng thái phá hoại của kết cấu, do
đó có thể giữ cho khả năng xảy ra phá hoại ở dưới một giá trị cho phép. Nói
cách khác, có thể điều khiển xác suất làm việc an toàn của công trình ở trên
một mức giới hạn nào đó trong một khoảng thời gian xác định [9].
Theo tác giả [7], việc nghiên cứu đồng thời phân bố của tải trọng S và độ
bền hay khả năng chịu tải R lần đầu tiên đã được Streletsky N. X. tiến hành.
Các đường cong phân bố của độ bền kết cấu và tải trọng tác dụng có thể được
thể hiện như trên hình 1.5. Ký hiệu giá trị trung bình hoặc kỳ vọng toán của
độ bền kết cấu là R , độ lệch chuẩn – σ R . Đối với tải trọng, tương tự ký hiệu
là S và σ S . Các đường cong phân bố cắt nhau tại điểm tương ứng với độ bền
Ro và tải trọng So. Theo Streletsky N. X. [7], sự cố của của công trình xảy ra
khi xuất hiện đồng thời hai biến cố:


21

1) Tải trọng bằng So còn độ bền nhỏ hơn Ro;
2) Độ bền bằng Ro còn tải trọng lớn hơn So.
Xác suất xuất hiện các biến cố này dễ dàng tính được nếu biết các quy
luật phân bố của độ bền và tải trọng. Với tính độc lập của độ bền và tải trọng,
xác suất xuất hiện đồng thời hai biến cố nói trên (xác suất xảy ra sự cố) bằng
tích các xác suất xuất hiện của mỗi biến cố riêng biệt. Đại lượng ngược với
xác suất xảy ra sự cố về ý nghĩa – chính là xác suất làm việc an toàn của kết
cấu và được gọi là “đảm bảo không phá hoại” Г:
Γ = 1 − ω1.ω2,


Hình 1.6. Sự giao nhau của các đường cong phân bố độ bền và tải trọng [7].
Rõ ràng, “đảm bảo không phá hoại” là đại lượng đơn giản và trực quan,
cho phép đánh giá độ tin cậy của kết cấu. Tuy nhiên, xác suất làm việc an
toàn khi đó lại quá cao vì không xét được tất cả các tổ hợp có thể có của R và
S [7].


22

Từ năm 1952 độ tin cậy của kết cấu được Rgianitsưn A. R. định nghĩa
chặt chẽ hơn khi ông đưa vào khái niệm hàm không phá hoại [7]:
Ψ = R−S.

S

(1.4)

Ψ

─

R

=

Vïng an toµn

Vïng sù cè


σ R2 + σ S2

(1.7)

và gọi là “đặc trưng an toàn” của kết cấu.
Như vậy, “đặc trưng an toàn” γ chính là độ tin cậy của kết cấu ở dạng
không tường minh, nó có ý nghĩa như công cụ ở dạng công thức toán học để


23

xác định sự cố – xác suất rơi của các giá trị Ψ vào vùng không an toàn (hình
1.7). Đối với phân bố chuẩn, xác suất này được tính theo công thức:
Q=

γ

1

∫ p(Ψ )dΨ = 2 − Φ(γ ),

(1.8)

−∞

ở đây Φ(γ ) =

1
2π


Đặc trưng
phá hoại

Cấp I

Cấp II

(Rất nghiêm trọng)

( Nghiêm trọng)

Cấp III
(Không nghiêm
trọng)