Luận văn thạc sĩ xây dựng Độ tin cậy về ổn định chung của công trình dạng tường cừ có một tầng neo

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

DẠNG TƯỜNG CỪ CÓ MỘT TẦNG NEO

LUẬN VĂN THẠC SĨ
CHUYÊN NGÀNH XÂY DỰNG DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP
MÃ SỐ: 60.58.20

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. NGUYỄN VĂN VI

Hà Nội - 2011


1

Môc lôc
Nội dung

Trang

Mục lục

1

Danh mục các bảng biểu

3

Danh mục các hình vẽ

4

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

neo theo lý thuyết độ tin cậy
Ch­¬ng 2: Độ tin cậy về ổn định chung của tường cừ một
neo
2.1. Nguyên tắc tính toán độ tin cậy về ổn định chung của tường
cừ một neo
2.2. Các phương pháp tính toán xác suất làm việc an toàn về ổn
định chung của tường cừ một neo

26

26

32

2.2.1. Phương pháp tuyến tính hóa

32

2.2.2. Khái niệm chung về phương pháp Monte Carlo

41

2.3. Tính toán độ tin cậy về ổn định chung của các công trình

45


2

bằng phương pháp mô hình hóa thống kê từng bước

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

3.2.2. Độ tin cậy của tường cừ một neo về trượt phẳng
Ch­¬ng 4: Tính toán độ tin cậy về ổn định chung của công
trình bến số 2 cảng Hải Phòng
4.1. Tài liệu về công trình bến số 2 cảng Hải Phòng
4.2. Tính toán độ tin cậy về ổn định chung của công trình theo
mặt trượt trụ tròn

60
60
62
64
64
66

4.2.1. Sơ đồ tính toán công trình

66

4.2.2. Nội dung và kết quả tính toán

67

4.2.3. Phân tích các kết quả tính toán

94

Kết luận và kiến nghị

95

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

Bảng 4.4. Các số liệu đưa vào tính toán độ tin cậy về ổn định
chung tại vị trí tâm trượt O4 ( x3 = 7m, y4 = 8.109m)

84

Bảng 4.5. Các số liệu đưa vào tính toán độ tin cậy về ổn định
chung tại vị trí tâm trượt O5 ( x5 = 1m, y5 = 8.109m)

89


4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Tên hình vẽ

Trang

Hình 1.1. Kết cấu tường cừ có một neo.

11

Hình 1.2. Cấu tạo và các bộ phận chủ yếu của tường cừ một neo.

12

Hình 1.3. Sơ đồ trượt sâu theo mặt trượt cong.

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

Hình 3.2. Biểu đồ thực nghiệm của mômen gây trượt Mtr.

57

Hình 3.3. Biểu đồ thực nghiệm của mômen giữ Mg.
Hình 3.4. Xác định độ tin cậy Pminmin.

58

Hình 3.5. Sơ đồ tính cừ theo mặt trượt gẫy khúc.
Hình 4.1. Cảng Hải Phòng và thiết bị xếp dỡ.

60

Hình 4.2. Sơ đồ vị trí bến số 2 trong Cảng Hải Phòng.

66

Hình 4.3. Sơ đồ cấu tạo công trình bến số 2, Cảng Hải Phòng.
Hình 4.4. Sơ đồ tính toán công trình bến số 2, Cảng Hải Phòng.

66

Hình 4.5. Sơ đồ phân mảnh các cột đất tính toán ổn định chung
công trình bến số 2 Cảng Hải Phòng.

59

65

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

78

Phòng về ổn định chung tại vị trí tâm trượt O3 ( x3 = 3, y3 = 7)
Hình 4.13. Biểu đồ thực nghiệm phân bố của mômen giữ Mg đối
với tâm trượt O3
Hình 4.14. Biểu đồ thực nghiệm phân bố của mômen gây trượt
Mtr đối với tâm trượt O3
Hình 4.15. Sơ đồ xác định Pmin công trình bến số 2 Cảng Hải

81

82

83

Phòng
Hình 4.16. Sơ đồ tính toán xác suất công trình bến số 2 Cảng Hải
Phòng

về

ổn

định

chung

tại

vị

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

92


6

Hình 4.22. Sơ đồ xác định Pmin min công trình bến số 2 Cảng Hải

94

Phòng.
Hình 4.23. Sơ đồ tính ổn định trượt sâu của công trình bến số 2
cảng Hải Phòng theo phương pháp Bishop
Hình 4.24. Kết quả tính ổn định trượt sâu của công trình bến số 2
cảng Hải Phòng theo phương pháp Bishop
Hình 4.25. Đường chu tuyến ứng với hệ số ổn định K O min .

96

96
97


7

Lêi c¶m ¬n
Nền kinh tế của nước ta ngày càng phát triển mạnh mẽ. Song song với sự
phát triển đó, ngành xây dựng cũng đã và đang phát triển không ngừng. Việc
tính toán thiết kế các kết cấu ngày càng đòi hỏi phải có độ chính xác cao, tiết
kiệm vật liệu nhưng vẫn đảm bảo khả năng chịu lực và ổn định. Hiện nay việc

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
.

Nguyễn Văn Vi cù ng cá c thầ y cô trong bô ̣ mônXây dự ng Dân dụng và Công
nghiệp, Ban Giá m hiê ̣ u, khoa Đà o ta ̣ o Sau đa ̣ i ho
- trườ
̣ c ng Đa ̣ i ho ̣ Kiến
c
Trúc
Hà Nội đã ta ̣ o điề u kiê ̣ n, tâ ̣ n tı̀ nh chı̉ bả o và giú p đỡ tôi trong suố t quá trı̀ nh
ho ̣ c tâ ̣ p và nghiên cứ u.
Cuố i cù ng, tôi cũ ng xin đươ ̣ c tỏ lò ng cả m ơn tớ i đồ ng nghiê ̣ p, ba ̣ n bè và
gia đı̀ nh, sự khı́ ch lê ̣ đô ̣ ng viên ta
điệ̀ ou kiê ̣ n về vâ ̣ t chấ t cũ ng như tinh thầ n là
mô ̣ t nguồ n lự c to lớ n giú p tôi vươ ̣ t qua nhữ ng khó khăn trong suố t quá trı̀ nh
ho ̣ c tâ ̣ p và nghiên cứ u để
hoà n thà nh luâ ̣ n văn tha ̣ c kỹ
sĩ thuâ ̣ t nà y.
Hà Nô ̣ i, ngà y 18thá ng 02 năm 2011
Ho ̣ c viên

Vũ Lê Minh


9

MỞ ĐẦ U
Tại Việt Nam quá trình đô thị hoá đang diễn ra một cách mạnh mẽ, hàng
loạt các công trình ngầm đô thị như tầng hầm cho các nhà cao tầng, khách
sạn, các đường hầm chui qua đường giao thông, các gara ôtô ngầm dưới
đất…đang được xây dựng ở các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí
Minh, Hải 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 LânQuảng Ninh… cũng đã được nâng cấp và xây mới. Việc lựa chọn phương án

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.

- Sử dụng và khai thác các chương trình phần mềm chuyên dụng nhằm tự
động hóa quá trình tính toán.
Nô ̣ i dung nghiên cứ u củ a đề tà i:
Chương 1. Ổn định chung của kết cấu dạng tường cừ một neo và các
phương pháp tính toán.
Chương 2. Độ tin cậy về ổn định chung của tường cừ một neo.
Chương 3. Xác định độ tin cậy về ổn định chung của tường cừ một neo.
Chương 4. Tính toán độ tin cậy về ổn định chung của công trình bến số 2,
cảng Hải Phòng.
Cá c kế t quả nghiên cứ u củ a đề tà i luâ ̣ n văn cóhểt đươ ̣ c sử du ̣ ng là m tà i
liê ̣ u tham khả o, nghiên cứ u và á p du ̣ ng
tính toán độ tin cậy khi thiết kế và thi
công công trı̀ nh ngầ m đô thi có
̣ sử dụng kết cấu tường cừ một neo, công trình
bến cảng biển và nế u đươ ̣ c hoà n thiê ̣ n thêm, sẽ là cơ sở
khoa ho ̣ c để kiế n nghi ̣
đưa vào các tiêu chuẩn tính toán hiện hành ở Viê ̣ t Nam.
Do trı̀ nh đô ̣ và năng lự c có ha ̣ n, dù tôi đã cố gắ ng rấ t nhiề u nhưng chắ c
chắ n nô ̣ i dung luâ ̣ n văn khó có thể trá nh khỏ i sai só t, rấ t mong cá c thầgiáo,
y
cô giá o, cá c ba ̣ n đồ ng nghiê ̣ p gó p ý .


11

Chương 1
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH CHUNG CỦA KẾT CẤU TƯỜNG CỪ
MỘT 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.
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

̣ n yếu sau:
MN

4

1

2

3

5

0.00

Hình 1.2. Cấ u ta ̣ o và cá c bô ̣ phâ ̣ n chủ yếu
của tường cừ một neo:
1- Tường mặt;
2- Thanh neo và các liên kết;
3- Bản neo;
4- Dầ m mũ;
5- Khố i đấ t lấ p sau tường.
1. Tường mặt: Có tác dụng chắn giữ đất và phần chôn sâu vào trong đất
nền giữ cho tường ổn định.
2. Thanh neo và các liên kết:
Mục tiêu sử dụng neo là để cải thiện khả năng làm việc của kết cấu
tường chắn, tức là giữ cho tường chắn ổn định, phân phối lại mô men trên


13

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

MN

0.00

Hình 1.3. Sơ đồ trượt sâu theo mặt trượt cong.
- Trượt sâu theo một mặt trượt cong nào đó (hình 1.3), hiện nay người ta
coi mặt trượt này chủ yếu có dạng trụ tròn thuộc sơ đồ bài toán phẳng, khối
đất trượt cùng với công trình và mặt trượt đi qua mũi cọc tường mặt.
- Trượt sâu theo mặt trượt gãy khúc với sơ đồ mất ổn định do chuyển
dịch tịnh tiến của khối đất trượt cùng với công trình (hình 1.4).

MN

Cá c mă ̣ t trươ ̣ t có thể xả y ra
0.00

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


15

- Mất ổn định xoay quanh điểm gắn neo.
q

Zh

Ea1
Ea2

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

và theo mặt trượt trụ tròn.
1.2. Các phương pháp tính ổn định chung của tường cừ một neo theo
quan điểm tiền định.
Đã có nhiều tác giả nêu phương pháp tính kiểm tra ổn định chung của
tường cừ một neo và các phương pháp này đều dựa vào một trong hai nhóm
các phương pháp sau:
- Nhóm 1: Nhóm các phương pháp giả thiết trước hình dạng của mặt
trượt và coi khối trượt như một vật thể rắn ở trạng thái cân bằng giới hạn. Các


16

phương pháp này dựa trên các tài liệu thí nghiệm về dạng mặt trượt và nhiều
kết quả quan trắc các mặt trượt của mái dốc trong thực tế mà đưa ra các giả
thiết đơn giản hoá về hình dạng mặt trượt và phương pháp tính toán tương
ứng.
- Nhóm 2: Nhóm các phương pháp dựa vào lý thuyết cân bằng giới hạn
của các điểm trong khối đất. Các phương pháp thuộc nhóm này dựa vào giả
thiết cơ bản là, mọi điểm trong khối đất mái dốc phải thỏa mãn điều kiện cân
bằng giới hạn.
Nhóm phương pháp thứ hai có lời giải chặt chẽ, phản ánh gần đúng trạng
thái ứng suất trong khối đất bị phá hoại nhưng do lời giải của bài toán rất phức
tạp, tốn nhiều công sức nên nhóm phương pháp này chưa được ứng dụng rộng
rãi trong thực tế. Đại diện cho nhóm này là các phương pháp của W. Rankine,
F. Kotter, V. V. Xôcôlốvsky,…
Nhóm phương pháp giả 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 được áp dụng phổ biến trong thực tế do tính đơn giản và thiên về an
toàn hơn so với các phương pháp nhóm thứ hai. Phương pháp tính toán ổn
định tường cừ một neo dựa trên giả thiết mặt trượt trụ tròn đã được K. E.

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;

- Các hệ số độ tin cậy về tính chất quan trọng của kết cấu.
Đã có sự thay đổi các tiêu chí đánh giá độ bền và các tính chất khác của
kết cấu. Việc thiết kế, xây dựng và khai thác công trình cần phải được thực
hiện sao cho không để xảy ra các trạng thái giới hạn của nó. Trạng thái của
kết cấu, mà với trạng thái ấy kết cấu không thể thoả mãn các yêu cầu khai
thác, được gọi là trạng thái giới hạn [7]. Các trạng thái giới hạn có thể xảy ra
của các kết cấu và nền của chúng được chia thành các nhóm.
Các trạng thái giới hạn thuộc nhóm thứ nhất: Đó là các dạng phá hoại
dẫn đến làm mất khả năng chịu tải của các cấu kiện hoặc dẫn đến sự bất lợi


18

hoàn toàn cho việc khai thác công trình. Các dạng phá hoại như thế liên quan
đến mất ổn định về hình dạng và vị trí, xuất hiện sự chảy dẻo của vật liệu, mở
rộng vết nứt quá mức,…
Các trạng thái giới hạn thuộc nhóm thứ hai: đó là các trạng thái gây khó
khăn cho việc khai thác bình thường các công trình và được đặc trưng bởi các
biến dạng, chuyển vị tịnh tiến và xoay không cho phép của công trình, các
dao động, sự hình thành vết nứt,…
Điều kiện để không xảy ra trạng thái giới hạn có thể được viết dưới dạng
sau đây [7]:
+ Đối với nhóm trạng thái giới hạn thứ nhất
k n ΨF (a i F p , nc , md , ma ) ≤ ΨR (bi R p ) ,

(1.1)

nghĩa là, nội lực trong kết cấu không được vượt quá khả năng chịu tải;
+ Đối với nhóm trạng thái giới hạn thứ hai
k n Ψ (a i F p , bi R p , nc , md , ma ) ≤ C ,

(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

mình là sử dụng các tham số tính toán có bản chất ngẫu nhiên trong thuật toán
với các quan hệ hàm số có tính đơn trị và tiền định, cũng như không xét yếu tố
thời gian [7, 9]. Nhiều kết quả nghiên cứu được tiến 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 phải là các đại lượng không đổi mà
là các đại lượng ngẫu nhiên. Ngoài ra, trong phương pháp các trạng thái giới
hạn việc lấy nhiều hệ số an toàn theo kinh nghiệm để bù vào mức độ không
đáng tin cậy của hàng loạt các yếu tố ảnh hưởng đến trạng thái kết cấu cũng
mang tính tiền định và ước lệ [9].
Vì thế, ngày nay trên thế giới người ta đã sử dụng tương đối phổ biến các
phương pháp xác suất và độ tin cậy trong tính toán các công trình xây dựng và
nền của chúng. Đây là hệ phương pháp tiên tiến để tính toán các kết cấu xây
dựng, đang được áp dụng ở nhiều nước phát triển trên thế giới. Ở các nước
như Nga, Mỹ, Trung Quốc, Nhật Bản,... đều đã ban hành các Tiêu chuẩn theo
hướng này [19, 21, 23] để dần thay thế các Tiêu chuẩn được biên soạn theo
các phương pháp tiền định. Ở nước ta hiện nay, việc nghiên cứu và áp dụng hệ


20

phương pháp tính toán theo quan điểm độ tin cậy để thiết kế các công trình và
nền của chúng là vấn đề hết sức cần thiết và cấp bách.
Khác với các phương pháp tiền định, các phương pháp thiết kế kết cấu
xây dựng theo quan điểm xác suất đề nghị tiêu chí mới về chất lượng – đó là
độ tin cậy của kết cấu [7]. Khái niệm độ tin cậy bao hàm lượng thông tin rất
lớn. Tuy nhiên, người ta coi đặc trưng cơ bản của độ tin cậy của công trình là
xác suất làm việc an toàn (không có sự 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
kiện hoặc của hệ thống. Khái niệm sự cố rất gần với khái niệm trạng thái giới
hạn trong tính toán tiền định, vì thế có thể coi điều kiện làm việc không xảy ra

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,

(1.3)

ở đây ω1, ω2 – là xác suất xuất hiện các biến cố nói trên (hình 1.6), được xác
định theo các công thức sau:
ω1 =
ω2 =

∞
∫
S0

p( S )dS ;

R0

∫ p( R)dR .
0

p(S), p(R)
p(R)

p(S)

ω2

ω1
So = Ro

S,R

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

S,R

S
R

0
Ψ = R −S

Hình 1.7. Dẫn xuất “đặc trưng an toàn” của Rgianitsưn A. R.
Kỳ vọng toán và phương sai đối với phân bố Ψ được biểu thị qua các đặc
trưng tương ứng của phân bố tải trọng và độ bền
Ψ = R − S,

(1.5)

σ Ψ2 = σ R2 + σ S2 ,

(1.6)

ở đây Ψ , R, S − kỳ vọng toán của các phân bố tương ứng;
σ Ψ2 , σ R2 , σ S2 − là phương sai của các phân bố.

Rgianitsưn A. R. đã đưa vào trong tính toán đại lượng
γ =

Ψ
=
σΨ

R −S

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

γ

∫ exp(−
0

γ2
)dγ là hàm Laplax, các giá trị của nó đã được lập
2

thành bảng.
Trong Tiêu chuẩn của Trung Quốc [21] và của Nhật Bản năm 2007 [23],
người ta đều gọi “đặc trưng an toàn” γ là “chỉ số độ tin cậy” β , nghĩa là
β =γ =

R −S
σ R2 + σ S2

.

(1.9)

Theo Tiêu chuẩn Trung Quốc, công trình được thiết kế theo độ tin cậy
phụ thuộc dạng phá hoại và mức độ an toàn của công trình (bảng 1.1) [9, 21].
Theo Tiêu chuẩn Nhật Bản [9, 23], công trình được thiết kế theo độ tin
cậy ở mức 2 (xem bảng 1.2): đối với cầu tàu và các công trình cảng, chỉ số độ
tin cậy cho phép β a được lấy bằng 2 ÷ 4; đối với các dạng đê chắn sóng khác
nhau, chỉ số β a = 2,04 ÷ 3,60; đối với các công trình rất quan trọng, như lò
phản ứng hạt nhân, chỉ số β a được lấy bằng 5 ÷ 6.
Bảng 1.1. Mức độ an toàn của công trình theo Tiêu chuẩn Trung Quốc.
Cấp an toàn

Đặc trưng
phá hoại

Cấp I

Cấp II

(Rất nghiêm trọng)

( Nghiêm trọng)

Cấp III
(Không nghiêm
trọng)