thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy cho kết cấu móng cọc

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀ O TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC MỞ THÀ NH PHỐ HỒ CHÍ MINH
-----------------------------------------------

LÊ QUANG HÒA

THIẾT KẾ TỐI ƯU ĐA MỤC TIÊU DỰA TRÊN ĐỘ TIN
CẬY CHO KẾT CẤU MÓNG CỌC

LUẬN VĂN THẠC SỸ
XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH DÂN DỤNG VÀ CÔNG NGHIỆP

TP. Hồ Chí Minh, Năm 2017


i

LỜI CAM ĐOAN
Tôi cam đoan rằng luận văn này “Thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy cho
kết cấu móng cọc” là bài nghiên cứu của chính tôi.
Ngoài trừ những tài liệu tham khảo được trích dẫn trong luận văn này, tôi cam đoan
rằng toàn phần hay những phần nhỏ của luận văn này chưa từng được công bố hoặc
được sử dụng để nhận bằng cấp ở những nơi khác.
Không có sản phẩm/nghiên cứu nào của người khác được sử dụng trong luận văn này
mà không được trích dẫn theo đúng quy định.
Luận văn này chưa bao giờ được nộp để nhận bất kỳ bằng cấp nào tại các trường đại
học hoặc cơ sở đào tạo khác.
TP. Hồ Chí Minh, 2017.

Lê Quang Hòa

ii

LỜI CẢM ƠN
Trước tiên tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành đến thầy PGS. TS. Nguyễn Thời
Trung, thầy là người đã truyền đạt kiến thức cho tôi về môn học “tối ưu hóa dựa trên
độ tin cậy” trong quá trình học cao học tại trường. Thầy cũng là người hướng dẫn,
gợi ý để tôi có hướng đi đúng trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành tốt luận văn
này.
Tôi cũng xin bày tỏ lòng biết ơn đến thầy PGS. TS. Dương Hồng Thẩm, người
đã truyền đạt cho tôi những kiến thức về nền móng trong quá trình học cao học và
giúp tôi hình thành ý tưởng nghiên cứu về vấn đề tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy trong
công tác nền móng. Đây là hướng nghiên cứu vẫn còn khá mới so với nước ta.
Tiếp đến, tôi xin cảm ơn đến quý thầy cô đã giảng dạy tôi trong quá trình học cao
học tại trường Đại học Mở TP. Hồ Chí Minh. Thầy cô đã hướng dẫn, truyền đạt, bổ
sung những kiến thức rất quý giá cho tôi. Từ đó giúp tôi có thể hoàn thành luận văn
và làm nền tảng phát triển trên con đường nghiên cứu sau này.
Tôi cũng xin cảm ơn đến ThS. Võ Duy Trung là người đã giúp đỡ, hướng dẫn,
tận tình hỗ trợ tôi trong suốt quá trình làm luận văn. Tôi cũng xin cảm ơn tất cả anh
chị em đang làm việc tại viện khoa học tính toán (INCOS) – Trường Đại học Tôn
Đức Thắng, đã tạo điều kiện cho tôi có một môi trường làm việc và học tập thân thiện,
hỗ trợ tôi hoàn thành tốt luận văn này.
Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến gia đình và bạn bè của tôi. Những người
đã chia sẻ, động viên và luôn giúp đỡ trong lúc khó khăn, để tôi hoàn thành tốt luận
văn này.
Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn!
TP. Hồ Chí Minh, ngày … tháng … năm 2017
Học viên

Lê Quang Hòa

iii

TÓM TẮT
Đề tài được thực hiện nhằm thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy cho
kết cấu móng cọc. Bài toán tối ưu đa mục tiêu được thành lập với hai hàm mục tiêu
là thể tích và độ lún móng cọc. Biến thiết kế là chiều dài cọc và đường kính cọc. Hàm
ràng buộc là các ràng buộc về ứng xử kết cấu gồm khả năng chịu tải, độ lún của móng
cọc và giới hạn của biến thiết kế. Bài toán cũng xét đến sự ảnh hưởng của các yếu tố
ngẫu nhiên, bằng cách kể thêm ràng buộc về chỉ số độ tin cậy  * hay ràng buộc xác
suất an toàn cho trước của kết cấu. Để giải bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa
trên độ tin cậy cho kết cấu móng cọc, phương pháp được sử dụng trong luận văn là
phương pháp kết hợp giữa hai giải thuật SLDM (Single Loop Deterministic Method)
và NSGA – II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm – II). Trong phương pháp
này, giải thuật một vòng lặp đơn xác định SLDM đầu tiên được sử dụng để chuyển
đổi ràng buộc xác suất thành ràng buộc tiền định. Sau đó, giải thuật phân loại di truyền
không bị trội NSGA – II được sử dụng để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ
tin cậy. Ngoài ra, phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc nhất FORM (First Order
Reliability Methods), cũng được sử dụng để đánh giá độ tin cậy tại các điểm thiết kế
của hai bài toán thiết kế tối ưu tiền định DO – NSGA – II và thiết kế tối ưu dựa trên
độ tin cậy RBDO – NSGA – II. Kết quả của luận văn được đánh giá và kiểm chứng
so với các kết quả đã được công bố trước đó.
Từ khóa: tối ưu hóa đa mục tiêu, tối ưu hóa đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy,
móng cọc, tối ưu hóa nền móng, NSGA – II (Non-dominated Sorting Genetic
Algorithm – II), SLDM (Single Loop Deterministic Method)


iv

ABSTRACT

The research aims to design multi-objective reliability-based optimization
problems for the pile foundation. The multi-objective optimization problems are
established with two objective functions: volume and settlement of the pile
foundation. The design variables are pile length and pile diameter. The constraint
functions are the behavior constraints of structures including the load-bearing
capacity, settlement of pile foundation and the limits of the design variables. The
research also considered the influence of random variables, by adding the reliability
index  * constraint or safety probability of the structure constraint. To solve multiobjective reliability-based design optimization problems for the pile foundation, the
method used in the thesis is the combination of two algorithms SLDM (Single Loop
Deterministic Method) and NSGA – II (Non-dominated Sorting Genetic Algorithm
– II). In this method, a Single Loop Deterministic Method algorithm (SLDM) is first
applied to transform probabilistic constraint to deterministic constraint. Then, Nondominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) is applied to solve the multiobjective reliability-based design optimization problems. Besides, The First Order
Reliability Methods is also applied to evaluate the reliability level at design points of
two problems of Determined Optimization design (DO – NSGA – II) and Reliability
Based-Design Optimization design (RBDO – NSGA – II). The results of the thesis
are evaluated and compared with the results published previously.
Keywords: Multi-objective optimization, Multi-objective optimization based on
reliability, Pile Foundation, Foundation Optimization, NSGA-II (Non-dominated
Sorting Genetic Algorithm – II), SLDM (Single Loop Deterministic Method).


v

MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ....................................................................................................... i
LỜI CẢM ƠN

........................................................................................................ii

TÓM TẮT

...................................................................................................... iii

ABSTRACT

....................................................................................................... iv

MỤC LỤC

........................................................................................................ v

DANH MỤC HÌNH VẼ ........................................................................................ viii
DANH MỤC BẢNG BIỂU ....................................................................................... x
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ........................................................................xii
CHƯƠNG 1: MỞ ĐẦU............................................................................................. 1
1.1

Giới thiệu chung ........................................................................................1

1.2

Tình hình nghiên cứu .................................................................................7

1.2.1

Thế giới ......................................................................................................7

1.2.2

Trong nước.................................................................................................9

1.3

Các mục tiêu nghiên cứu .........................................................................11

1.4

Phạm vi nghiên cứu .................................................................................12

1.5

Cấu trúc luận văn .....................................................................................12

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT ...................................................................... 14
2.1

Tính toán khả năng chịu tải cho móng cọc ..............................................14

2.1.1

Khả năng chịu tải của cọc theo cường độ vật liệu ...................................14

2.1.2

Khả năng chịu tải của cọc theo chỉ tiêu cường độ đất nền ......................15

2.1.3

Chọn hệ số an toàn và tính sức chịu tải cho phép....................................16

2.1.4

Thông số đầu vào .....................................................................................16

2.1.5

Xác định sơ bộ kích thước đài cọc...........................................................17

2.1.6

Xác định số lượng cọc sơ bộ trong đài cọc..............................................17

2.1.7

Cấu tạo và tính toán đài cọc.....................................................................17

2.1.8

Kiểm tra lực tác dụng lên đầu cọc ...........................................................18

2.1.9

Kiểm tra điều kiện ổn định ......................................................................18

2.2

Tính toán độ lún của móng cọc ...............................................................19

vi

2.3

Tổng quan về bài toán tối ưu ...................................................................21

2.3.1

Bài toán tối ưu đa mục tiêu ......................................................................21

2.3.2

Bài toán tối ưu dựa trên độ tin cậy ..........................................................23

2.4

Giải thuật tối ưu dựa trên độ tin cậy sử dụng phương pháp một vòng lặp

đơn xác định SLDM..............................................................................................24
2.4.1

Xác định điểm MPP - Most Probable Point ............................................27

2.4.2

Chuyển đổi miền thiết kế xác suất thành miền thiết kế tiền định ............29

2.4.3

Thiết lập các ràng buộc tiền định cho bài toán RBDO ............................30

2.5

Giải thuật di truyền phân loại không bị trội NSGA - II...........................33

2.5.1

Khái niệm đường Pareto ..........................................................................33

2.5.2

Khái niệm về sự trội (Domination) ..........................................................34

2.5.3

Quá trình tạo dân số ban đầu ...................................................................34

2.5.4

Đánh giá hàm mục tiêu ............................................................................36

2.5.5

Xếp hạng cá thể trong quần thể ...............................................................37

2.5.6

Quá trình lựa chọn (Crowded Tournament Selection Operator) .............38

2.5.7

Quá trình lai tạo .......................................................................................39

2.5.8

Quá trình đột biến ....................................................................................40

2.5.9

Xử lý ràng buộc .......................................................................................40

2.6

Giải thuật một vòng lặp đơn SLDM kết hợp giải thuật NSGA – II cho bài

toán RBDO (SLDM – NSGA – II) .......................................................................41
2.7

Thành lập bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy cho kết

cấu móng cọc sử dụng phương pháp SLDM – NSGA – II...................................42
2.7.1

Bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu .........................................................42

2.7.2

Bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy ..........................43

2.7.3

Cách xác định chỉ số độ tin cậy  * .........................................................43

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ SỐ .................................................................................. 46
3.1

Bài toán 1: các bài toán kiểm tra code lập trình matlab ..........................46

3.1.1

Ví dụ 1 .....................................................................................................46

3.1.2

Ví dụ 2 .....................................................................................................48

3.2

Bài toán 2: thiết kế khả năng chịu tải của móng cọc ...............................50


vii

3.2.1

Sơ lược công trình Dự án Reverside Thủ Đức ........................................50

3.2.2

Số liệu địa chất.........................................................................................51

3.2.3

Thông số tiết diện, tải trọng, vật liệu bê tông – cốt thép của cọc ............54

3.2.4

Xác định sức chịu tải của cọc theo cường độ vật liệu .............................56

3.2.5

Xác định sức chịu tải của cọc theo đất nền ..............................................57

3.2.6

Thiết kế mặt bằng bố trí cọc và đài cọc ...................................................58

3.2.7

Kiểm tra các điều kiện về khả năng chịu tải và độ lún ............................58

3.3

Bài toán 3: thiết kế tối ưu đa mục tiêu sử dụng giải thuật NSGA – II ....59

3.3.1

Khảo sát sự ảnh hưởng giữa số lượng cá thể và số thế hệ .......................60

3.3.2

Khảo sát biến thiết kế cho bài toán tối ưu đa mục tiêu ............................63

3.3.2.1 Trường hợp một biến thiết kế  Lc  ..........................................................63
3.3.2.2 Trường hợp hai biến thiết kế  Lc , Dc  .....................................................66
3.4

Bài toán 4: thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy sử dụng giải

thuật SLDM – NSGA – II .....................................................................................67
3.4.1

Trường hợp một biến thiết kế  Lc  ..........................................................69

3.4.2

Trường hợp hai biến thiết kế  Lc ; Dc  .....................................................74

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ..................................... 82
4.1

Kết luận ....................................................................................................82

4.2

Hướng phát triển ......................................................................................84

TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................................... 86
PHỤ LỤC

...................................................................................................... 91


viii

DANH MỤC HÌNH VẼ
Hình 1.1. Hạ lồng thép cọc khoan nhồi tại Sông Đà Riverside. .................................2
Hình 1.2. Thi công đào móng cọc barrette tòa nhà 16B. ............................................2
Hình 1.3. Thi công cọc ép khu ....................................................................................2
Hình 1.4. Thi công cọc khoan nhồi tòa nhà LandMark. .............................................2
Hình 2.1. Mô tả nghiệm bài toán tối ưu tiền định. ....................................................22
Hình 2.2. Mô tả nghiệm tối ưu có sự ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên. ...........23
Hình 2.3. Mô tả nghiệm bài toán tối ưu dựa trên độ tin cậy. ....................................24
Hình 2.4. Sự khác biệt của nghiệm bài toán tối ưu khi chưa xét đến độ tin cậy và khi
xét đến độ tin cậy (Trung et al. 2014). ......................................................................25
Hình 2.5. Sơ đồ giải thuật vòng lặp đôi DLM. .........................................................26
Hình 2.6. Sơ đồ giải thuật vòng lặp tuần tự DDLM. ................................................26
Hình 2.7. Sơ đồ giải thuật một vòng lặp đơn xác định SLDM. ................................27
Hình 2.8. Mô tả điểm xác suất cao nhất MPP. ..........................................................29
Hình 2.9. Minh họa chuyển đổi miền thiết kế của bài toán: a. ri*  0.5 ; b. ri*  0.5 .
...................................................................................................................................29
Hình 2.10. Mô tả chuyển đổi miền thiết kế có độ tin cậy của bài toán: a. Li và cộng
sự (Li et al. 2012); b. Luận văn. ................................................................................32
Hình 2.11. So sánh chuyển đổi miền thiết kế với độ tin cậy  *  1, 2 và 3 ............33
Hình 2.12. Mô tả tập hợp nghiệm Pareto. .................................................................33
Hình 2.13. Sơ đồ giải thuật NSGA – II (Starkey et al. 2016). ..................................35
Hình 2.14. Sơ đồ phân loại cá thể của giải thuật NSGA – II (Kalyanmoy Deb 2001).
...................................................................................................................................36
Hình 2.15. Mô tả khoảng cách vùng an toàn (crowding distance) di của cá thể i . .39

Hình 2.16. Sơ đồ giải thuật SLDM kết hợp NSGA – II. ...........................................42
Hình 3.1. Sơ đồ chịu lực kết cấu dầm. ......................................................................46
Hình 3.2. Kết quả nghiệm Pareto tối ưu....................................................................47


ix

Hình 3.3. Nghiệm tối ưu dựa trên độ tin cậy: a. Kalyanmoy Deb (Deb et al. 2009); b.
Luận văn. ...................................................................................................................50
Hình 3.4. Vị trí công trình. ........................................................................................51
Hình 3.5. Phối cảnh Dự án Riverside Thủ Đức. .......................................................51
Hình 3.6. Mặt cắt địa chất Dự án Riverside Thủ Đức – Sông Đà Group. ................52
Hình 3.7. Mặt cắt hố khoan HK1 Dự án Riverside Thủ Đức. ..................................53
Hình 3.8. Mặt bằng móng cọc điển hình (Block C). .................................................55
Hình 3.9. Sơ đồ khối tính toán kết quả số. ................................................................56
Hình 3.10. Nghiệm tối ưu cho trường hợp 100/100 (cá thể/ thế hệ). ........................61
Hình 3.11. Nghiệm tối ưu cho 4 trường hợp (cá thể/ thế hệ). ...................................61
Hình 3.12. Nghiệm tối ưu cho trường hợp 100/1000 (cá thể/ thế hệ). ......................62
Hình 3.13. Nghiệm tối ưu đa mục tiêu, trường hợp Dc  0.6 m . .............................63
Hình 3.14. Nghiệm tối ưu đa mục tiêu, trường hợp Dc  0.8 m , 1.0 m và 1.2 m ..65
Hình 3.15. Nghiệm tối ưu đa mục tiêu, trường hợp 2 biến  Lc ; Dc  . ........................66
Hình 3.16. Nghiệm tối ưu bài toán RDBO, trường hợp Dc  1.0 m . ......................70
Hình 3.17. Nghiệm tối ưu bài toán RDBO ở các chỉ số độ tin cậy khác nhau. ........74
Hình 3.18. Nghiệm tối ưu bài toán RBDO, sử dụng hai biến thiết kế  Lc ; Dc  . .......75
Hình 3.19. Nghiệm tối ưu bài toán RDBO, sử dụng hai biến thiết kế ở các chỉ số độ
tin cậy khác nhau. ......................................................................................................77
Hình 3.20. Nghiệm tối ưu bài toán RDBO, sử dụng hai biến thiết kế ở các mức hệ số
tỷ lệ thay đổi khác nhau. ...........................................................................................80

x

DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 2.1. Thông số bài toán tối ưu dựa trên độ tin cậy RBDO ................................31
Bảng 2.2. So sánh kết quả kiểm chứng cho bài toán RBDO – SLDM .....................32
Bảng 2.3. Phân loại mức độ ảnh hưởng ....................................................................44
Bảng 2.4. Giá trị tối thiểu của chỉ số độ tin cậy  * (trạng thái giới hạn) .................44
Bảng 2.5. Mối liên hệ giữa  * và Pf .......................................................................45
Bảng 2.6. Xác suất độ an toàn tương ứng với chỉ số độ tin cậy  * ..........................45
Bảng 3.1. Thông số đầu vào của bài toán .................................................................47
Bảng 3.2. So sánh kết quả nghiệm tối ưu của bài toán .............................................48
Bảng 3.3. Thông số đầu vào của bài toán .................................................................49
Bảng 3.4. Thông số dữ liệu địa chất..........................................................................54
Bảng 3.5. Đặc trưng cơ lý của các lớp đất ................................................................54
Bảng 3.6. Thông số tải trọng .....................................................................................54
Bảng 3.7. Thông số vật liệu bê tông – cốt thép của cọc............................................55
Bảng 3.8. Bảng tổng hợp kết quả sức chịu tải cọc theo cường độ vật liệu ...............57
Bảng 3.9. Bảng tổng hợp kết quả sức chịu tải cọc theo đất nền ...............................57
Bảng 3.10. Bảng tổng hợp kết quả tính toán kiểm tra đài móng cọc ........................58
Bảng 3.11. Bảng lựa chọn thông số khảo sát ............................................................60
Bảng 3.12. Thông số lựa chọn ban đầu của phương pháp NSGA – II......................63
Bảng 3.13. So sánh kết quả tối ưu đơn mục tiêu và đa mục tiêu – điểm A ..............64
Bảng 3.14. So sánh kết quả tối ưu đơn mục tiêu và đa mục tiêu – điểm D, E, F .....66
Bảng 3.15. Tổng hợp nghiệm tối ưu đa mục tiêu, trường hợp 2 biến  Lc ; Dc  .........67
Bảng 3.16. Bảng giá trị thông số ngẫu nhiên cho các chỉ tiêu cơ lý và cho tải trọng,
ứng với hệ số tỉ lệ thay đổi V  10% ........................................................................69
Bảng 3.17. So sánh trọng lượng tối ưu của kết cấu dầm...........................................71
Bảng 3.18. Nghiệm tối ưu bài toán DO và RBDO, trường hợp Dc  1.0 m ............72
Bảng 3.19. Nghiệm tối ưu bài toán RBDO ở các chỉ số độ tin cậy khác nhau .........73

xi

Bảng 3.20. Nghiệm tối ưu bài toán DO và RBDO, sử dụng hai biến thiết kế  Lc ; Dc 
...................................................................................................................................76
Bảng 3.21. Nghiệm tối ưu bài toán RBDO, sử dụng hai biến thiết kế ở các chỉ số độ
tin cậy khác nhau .......................................................................................................77
Bảng 3.22. Bảng giá trị thông số ngẫu nhiên cho các chỉ tiêu cơ lý và cho tải trọng,
ứng với hệ số tỉ lệ thay đổi V  15% ........................................................................78
Bảng 3.23. Bảng giá trị thông số ngẫu nhiên cho các chỉ tiêu cơ lý và cho tải trọng,
ứng với hệ số tỉ lệ thay đổi V  20% .......................................................................79
Bảng 3.24. Nghiệm tối ưu bài toán RBDO ở các mức hệ số tỷ lệ thay đổi khác nhau
...................................................................................................................................81


xii

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

DDLM

Decouple Double Loop Method

DLM

Double Loop Method

DO

Dertemined Optimization

FORM

First Order Reliability Method

GA

Genetic Algorithm

NSGA-II

Non-dominated Sorting Genetic Algorithm -II

RBDO

Reliability Based Design Optimization

SLDM

Single Loop Deterministic Method


1

CHƯƠNG 1:

MỞ ĐẦU

1.1 Giới thiệu chung
Ngày nay, cùng với sự phát triển của kinh tế đất nước, ngành xây dựng cũng ngày

càng phát triển. Đặc biệt, trong những năm gần đây, mật độ xây dựng nhà cao tầng
tại các thành phố lớn có xu hướng tăng nhanh như căn hộ cao cấp, cao ốc văn phòng,
chung cư, v.v. Trong các công trình cao tầng này, phương án sử dụng móng cọc
thường được chọn do những đặc tính ưu việt của loại móng này. Theo Nguyễn Thái
và Vũ Công Ngữ (Thái & Ngữ 2014), móng cọc là một loại móng sâu, thường được
sử dụng khi tải trọng công trình lớn và lớp đất tốt nằm rất sâu dưới lòng đất. Hai loại
cọc phổ biến hiện nay là cọc chế tạo sẵn và cọc khoan nhồi (cọc đổ tại chỗ). Đối với
cọc chế tạo sẵn, vật liệu có thể làm bằng bê tông cốt thép đúc sẵn hoặc bằng thép.
Còn cọc đổ tại chỗ, thường là cọc nhồi có dạng hình tròn. Đường kính cọc nhồi trong
khoảng 0.6 m đến 5.0 m, với kích thước thường gặp ở Việt Nam hiện nay là 1.0 m
đến 2.0 m. Một dạng cọc đổ tại chỗ khác là cọc barrette, thường có dạng hình chữ
nhật và được dùng làm móng cho công trình có tải trọng lớn. Một số công trình tiêu
biểu sử dụng móng cọc có thể kể đến như sau: công trình chung cư cao cấp Sông Đà
Riverside, ở Thủ Đức – Tp. Hồ Chí Minh, với giải pháp kết cấu móng cọc khoan nhồi
có độ sâu từ 50 m đến 75 m, đường kính cọc 1.0 m đến 1.2 m (Hình 1.1); công trình
móng cọc barrette tòa nhà 16B – Nguyễn Thái Học – Tp. Hà Nội (Hình 1.2); công
trình móng cọc ép khu dân cư Nam Long, quận 7 – Tp. Hồ Chí Minh (Hình 1.3); công
trình móng cọc khoan nhồi tòa nhà LandMark – Tp. Hồ Chí Minh (Hình 1.4); v.v.


2

Hình 1.1. Hạ lồng thép cọc khoan nhồi

Hình 1.2. Thi công đào móng cọc

tại Sông Đà Riverside.

barrette tòa nhà 16B.

( />
( />
NewsDetail.aspx?id=80 n.d.)

dan-dung-cong-nghiep.html n.d.)

Hình 1.3. Thi công cọc ép khu

Hình 1.4. Thi công cọc khoan nhồi

Nam Long, Quận 7.

tòa nhà LandMark.

( />
( />
coc-khu-nam-long-quan-7-p68.html n.d.)

cong-khoan-coc-nhoi-toa-nhalandmark-tp-hcm n.d.)

Thực tế, quá trình tính toán thiết kế sức chịu tải móng cọc cho các công trình xây
dựng hiện nay, chủ yếu dựa vào hai thành phần chính là sức chịu tải cực hạn do kháng
mũi cọc và do ma sát xung quanh cọc. Cả hai thành phần này đều chịu tác động trực
tiếp bởi các thông số của đất nền như trọng lượng riêng  , lực dính c , góc nội ma
sát  , v.v và ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc. Khi thiết kế móng cọc, để đảm bảo
kết cấu an toàn và đủ khả năng chịu lực trong các điều kiện ngẫu nhiên thực tế, người


3

thiết kế sẽ kể thêm các hệ số điều kiện làm việc, hệ số vượt tải cho bài toán. Cụ thể,
trong bài toán thiết kế theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 10304:2014), các hệ số được
xét đến như không gian đổ bê tông  cb , phương pháp thi công cọc  'cb , hệ số giảm
khả năng chịu lực  , hệ số điều kiện làm việc  c ,  ccl ,  cq ,  cf , v.v, hoặc các hệ số
an toàn FSs , FS p (TCVN 205:1998). Những hệ số này thông thường được lấy theo
ý kiến đánh giá chủ quan của người thiết kế, nên trong một số trường hợp trong thực
tế, giá trị của những hệ số này có thể sẽ lớn hơn mức cần thiết gây ra lãng phí hoặc
lại nhỏ hơn mức yêu cầu dẫn đến kết cấu không đảm bảo khả năng chịu lực. Vì vậy,
một yêu cầu đặt ra khi thiết kế công trình, trong đó có kết cấu móng cọc, là vừa phải
đảm bảo được khả năng chịu tải, độ bền và độ ổn định của kết cấu trong các điều kiện
ngẫu nhiên thực tế, vừa phải tiết kiệm được chi phí vật liệu, v.v. Đó cũng là điều mà
các nhà đầu tư luôn quan tâm. Vì thế việc thiết lập và giải bài toán thiết kế tối ưu cho
kết cấu móng cọc luôn được xem là cần thiết.
Thiết kế tối ưu hóa là ứng dụng việc tính toán tối ưu vào các bài toán thiết kế
trong kỹ thuật, bằng cách thiết lập và giải bài toán tối ưu dựa trên bài toán thiết kế
sẵn có, nhằm đáp ứng các yêu cầu thực tế theo hướng tiết kiệm hơn, hiệu quả hơn,
v.v. Cụ thể, khi áp dụng thiết kế tối ưu cho bài toán thiết kế kết cấu móng cọc, ta
nhằm lựa chọn phương án thiết kế móng sao cho thể tích hoặc độ lún là tối ưu nhất,
với biến thiết kế là chiều dài và đường kính cọc. Nếu bài toán chỉ có một hàm mục
tiêu, hoặc cực tiểu thể tích hoặc cực tiểu độ lún, ta được bài toán thiết kế tối ưu đơn
mục tiêu. Dạng bài toán này đã được nghiên cứu trong một số bài báo trong và ngoài
nước như: (Tuấn & Cường 2007); (Chan et al. 2009); (Hurd & Truman 2006);
(Letsios et al. 2014); (Leung et al. 2010); (Liu et al. 2012); (Tsai et al. 2013). Nếu bài
toán được thành lập sao cho thỏa mãn cùng lúc nhiều mục tiêu, ta được bài toán thiết
kế tối ưu đa mục tiêu. Cụ thể trong phần thiết kế kết cấu móng cọc, ta có thể thiết lập
bài toán tối ưu thỏa mãn cả hai mục tiêu, cực tiểu đồng thời thể tích móng cọc và cực
tiểu độ lún. Lưu ý, trong bài toán tối ưu đa mục tiêu, các mục tiêu thường đối lập với
nhau và được tối ưu cùng lúc. Lời giải của bài toán sẽ là một tập hợp nghiệm tối ưu,
thỏa mãn các mục tiêu đặt ra và tập hợp nghiệm này được gọi là tập nghiệm Pareto

4

(Ngatchou et al. 2005). Dạng bài toán tối ưu đa mục tiêu này cũng đã được nghiên
cứu trong một số nghiên cứu điển hình như: (Ashby 2000); (Coello Coello &
Christiansen 2000); (Coello et al. 2007); (Deb & Dhar 2011); (Juang & Wang 2013);
(Wang et al. 2014); (Zhang & Xing 2010).
Để giải bài toán tối ưu đa mục tiêu, ta có thể kể đến một số phương pháp tối ưu
cổ điển như: phương pháp tổng trọng số (Weighted Sum Method) (Marler & Arora
2010; Kim & De Weck 2006). Đây là phương pháp đơn giản và được sử dụng rất
rộng rãi, được áp dụng để tìm nghiệm của bài toán trên mặt tối ưu Pareto lồi. Phương
pháp này tuy nhiên vẫn còn hạn chế là chỉ tìm được một nghiệm trong một lần giải.
Do đó, khi bài toán có nhiều hàm mục tiêu max/ min, ta phải chuyển bài toán về cùng
một dạng max hoặc min; phương pháp này sẽ gặp khó khăn khi giải bài toán phi tuyến
và phụ thuộc nhiều vào việc chọn véc-tơ trọng số wi . Vì vậy, để giải quyết những khó
khăn của phương pháp tổng trọng số khi giải các bài toán nằm trong miền không gian
không lồi, thì phương pháp ràng buộc  (Ehrgott & Ruzika 2008) đã được đề xuất.
Thuận lợi của phương pháp này là có thể giải bài toán trong cả không gian lồi và
không lồi, nhưng hạn chế của phương pháp là sự phụ thuộc vào việc chọn véc-tơ  i
v.v. Vì vậy, để khắc phục những hạn chế của các phương pháp tối ưu cổ điển trên,
các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số giải thuật tiến hóa đa mục tiêu MOEAs (MultiObjective Evolutionary Algorithms) như: giải thuật NSGA-II (Elitist Non-dominated
Sorting Genetic Algorithm – II), giải thuật NPGA2 (Niched-Pareto Genetic
Algorithm) (Erickson et al. 2001), giải thuật SPEA2 (Strength Pareto Evolutionary
Algorithm 2) (Zitzler et al. 2001), giải thuật MOEA/D (Multiobjective Evolutionary
Algorithm Based on Decomposition) (Zhang & Li 2007), giải thuật MOMGA,
MOMGA-II, MOMGA-IIa (Multiobjective Messy Genetic Algorithm) (Day &
Lamont 2005), giải thuật DE (Differential Evolution), v.v. Trong số các phương pháp
trên thì phương pháp NSGA-II được trình bày bởi Kalyamoy Deb vào năm 2002 (K
Deb et al. 2002) có thời gian tính toán khá nhanh và không có nhiều tham số điều
khiển. Ngoài ra, lời giải tối ưu tìm được bằng phương pháp này là một tập hợp lời

giải tối ưu nằm trên đường tối ưu Pareto.


5

Trong bài toán tối ưu đa mục tiêu được đề cập ở trên, một vấn đề cần phải quan
tâm khi thực hiện việc tính toán tối ưu kết cấu là sự không chắc chắn của các nguồn
dữ liệu đầu vào. Điều này xảy ra là do các biến thông số đầu vào trong thực tế thường
có giá trị phân bố ngẫu nhiên quanh giá trị trung bình và tuân theo một quy luật phân
phối xác suất nhất định như tải trọng, môi trường, khí hậu, điều kiện địa chất, v.v.
Khi đó các ứng xử đầu ra của kết cấu như khả năng chịu tải của cọc, độ lún, v.v cũng
sẽ có giá trị ngẫu nhiên và phân bố theo một quy luật phân phối xác suất và trong một
số trường hợp có thể vượt quá giới hạn cho phép đã định trước của kết cấu. Xác suất
các trường hợp ứng xử đầu ra vượt quá giới hạn cho phép được gọi là độ không an
toàn hay xác suất phá hủy kết cấu (Andrzej S. Nowak 2000). Vì vậy, để có cơ sở
trong việc chọn lựa phương án móng tối ưu và đảm bảo độ an toàn cho kết cấu, luận
văn sẽ thiết kế tối ưu kết cấu móng cọc sao cho hàm trạng thái giới hạn phải thỏa mãn
một xác suất an toàn cho trước (tương ứng với một chỉ số độ tin cậy  * ). Để đánh
giá xác suất an toàn cho kết cấu, ta có thể kể đến một số phương pháp phổ biến hay
sử dụng như: phương pháp mô phỏng Monte Carlo (Papadrakakis & Lagaros 2002),
phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc nhất FORM (First Order Reliability Method) và
độ tin cậy bậc hai SORM (Second Order Reliability Method) (Du 2005). Như vậy để
đảm bảo mức độ an toàn cho kết quả thiết kế tối ưu kết cấu khi xét đến các yếu tố
ngẫu nhiên, việc kết hợp giữa thiết kế tối ưu với đánh giá độ tin cậy cho kết cấu là
cần thiết. Bài toán khi đó được gọi là bài toán thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy
(RBDO - Reliability based design optimization). Dạng bài toán này đã được nghiên
cứu trong một số nghiên cứu về thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy hoặc phân tích,
đánh giá độ tin cậy cho kết cấu như: (Trung et al. 2014); (Juang et al. 2012); (Zhang
et al. 2011) hay trong các luận văn nghiên cứu như: Ngô Thị Hồng Quyên (Quyên
2014); Nguyễn Minh Thọ (Thọ 2015); Nguyễn Thụy Đoan Nhi (Nhi 2015); Nguyễn

Viết Cường (Cường 2015); Trần Văn Dần (Dần 2013).
Để giải bài toán thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy RBDO, ta có thể kể đến một
số giải thuật phổ biến thường được sử dụng như: (1) Giải thuật vòng lặp đôi DLM
(Duoble Loop Method) trong đó vòng lặp đánh giá độ tin cậy sẽ được lồng vào vòng


6

lặp của bài toán tối ưu. Vì thế, kết quả bài toán khá chính xác, nhưng chi phí tính toán
sẽ lớn và mất nhiều thời gian để giải; (2) Giải thuật lặp tuần tự DDLM (Decouple
Double Loop Method) hay còn gọi là giải thuật vòng lặp tách rời. Trong giải thuật
này, vòng lặp tối ưu hóa và vòng lặp đánh giá độ tin cậy tách rời nhau và được thực
hiện một cách độc lập, nên chi phí tính toán giảm đáng kể so với vòng lặp đôi. Tuy
nhiên, độ chính xác bài toán khi sử dụng giải thuật này sẽ thấp hơn so với giải thuật
vòng lặp đôi, bởi vì độ tin cậy của bài toán chỉ được thực hiện khi nghiệm ở vòng lặp
tối ưu được xác định; (3) Giải thuật một vòng lặp đơn xác định SLDM (Single Loop
Deterministic Method), trong đó bài toán tối ưu dựa trên độ tin cậy sẽ được chuyển
thành bài toán tối ưu tiền định, bằng cách chuyển đổi các ràng buộc xác suất ở bài
toán tối ưu dựa trên độ tin cậy (RBDO) thành ràng buộc tiền định.
Trong ba giải thuật trên, hai giải thuật vòng lặp đôi DLM và giải thuật lặp tuần
tự DDLM vẫn còn nhiều hạn chế do chi phí tính toán lớn. Trong khi đó, giải thuật
một vòng lặp đơn xác định SLDM được yêu thích hơn do việc lập trình đơn giản và
chi phí tính toán giảm đáng kể khi thực hiện việc chuyển đổi xấp xỉ ràng buộc xác
suất thành ràng buộc tiền định. Tuy nhiên, kết quả của giải thuật SLDM vẫn còn một
hạn chế, đó là có độ chính xác không tốt bằng kết quả của giải thuật DLM. Trong
thực tế, để giải các bài toán kỹ thuật có xét đến độ tin cậy, thì chi phí tính toán thường
là vấn đề quan trọng nhất, do vậy giải thuật SLDM thường được yêu thích hơn và
được xem là cách tiếp cận hiệu quả hơn so với các giải thuật khác. Hơn nữa giải thuật
một vòng lặp đơn xác định SLDM cũng có khả năng cân đối tốt giữa chi phí tính toán
và độ chính xác của nghiệm tối ưu, nên giải thuật này cho đến nay được xem là một

trong những giải thuật hiệu quả nhất để giải các bài toán tối ưu thiết kế dựa trên độ
tin cậy (Shan & Wang 2008).
Từ những phân tích trên, ta có thể thấy rằng việc thiết kế tối ưu dựa trên độ tin
cậy kết cấu móng cọc có ý nghĩa quan trọng và mang lại nhiều lợi ích trong thực tiễn.
Kết quả thiết kế tối ưu kết cấu không những giúp tiết kiệm chi phí vật liệu, mà còn
đảm bảo được khả năng chịu tải và độ an toàn trong quá trình sử dụng. Đó luôn là
mục tiêu hướng đến trong quá trình thiết kế thực tế hiện nay. Vì vậy, luận văn này


7

được thực hiện nhằm thành lập và giải bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên
độ tin cậy cho kết cấu móng cọc. Phương pháp đề xuất để giải bài toán này là phương
pháp kết hợp giữa giải thuật một vòng lặp đơn xác định SDLM (Single-Loop
Deterministic Method) và giải thuật di truyền phân loại không bị trội NSGA – II
(Non-dominated Sorting Genetic Algorithm – II). Chi tiết của giải thuật sẽ được trình
bày trong chương 2.
1.2 Tình hình nghiên cứu
1.2.1 Thế giới
Hiện nay, trên thế giới đã có khá nhiều công trình nghiên cứu về thiết kế tối ưu
cho kết cấu. Riêng đối với phần ngầm công trình, đã có một số đề tài nghiên cứu tối
ưu về chiều dài cọc, nhóm cọc, về khả năng chịu tải của cọc, về kích thước tiết diện
móng, v.v hoặc một số đề tài nghiên cứu tối ưu dựa trên độ tin cậy về móng băng, về
chống vách hố đào với nhiều tầng chống, v.v. Một số công trình nghiên cứu tiêu biểu
có thể kể đến như:
Juang và Wang (Juang & Wang 2013) đã thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ
tin cậy cho móng băng sử dụng giải thuật di truyền GA. Trong nghiên cứu này, hàm
mục tiêu xem xét là độ bền kết cấu, còn những thông số của đất và chất lượng công
trình được xem là biến ngẫu nhiên. Kết quả tối ưu được thể hiện thành một mặt Pareto.
Hurd và Truman (Hurd & Truman 2006) đã thiết kế tối ưu trọng lượng tổng thể

của móng cọc. Hàm mục tiêu của nghiên cứu này là cực tiểu trọng lượng tổng thể của
móng cọc, với tải trọng ở các sàn tầng trên được xem là tuyệt đối cứng truyền xuống
móng. Biến thiết kế là kích thước hình học móng, số lượng cọc và các lớp địa chất,
xét cho nhiều trường hợp chất tải sàn khác nhau.
Chan và cộng sự (Chan et al. 2009) đã sử dụng thuật toán di truyền lai (HGA) để
tối ưu hóa thiết kế móng cho nhóm cọc. Hàm mục tiêu thiết kế là cực tiểu trọng lượng
móng, còn các biến thiết kế là kích thước tiết diện ngang của cọc và số lượng cọc.


8

Zhang và Xing (Zhang & Xing 2010) đã sử dụng phương pháp PSO với tham số
mờ để tối ưu hóa đa mục tiêu về thời gian, chi phí và chất lượng trong xây dựng. Hàm
mục tiêu là cực tiểu chi phí và thời gian.
Deb và Dhar (Deb & Dhar 2011) đã thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho trụ đá gia cố
nền đất. Hàm mục tiêu là cực tiểu độ lún và ràng buộc là các ứng suất.
Wang và cộng sự (Wang et al. 2014) đã thiết kế tối ưu cho hệ chống vách hố đào
với nhiều tầng chống. Hàm mục tiêu là cực tiểu chi phí và có ràng buộc về độ an toàn
cho trước. Biến thiết kế là độ bền và biến ngẫu nhiên là thông số đất nền. Phương
pháp đánh giá chỉ số độ tin cậy bậc hai (FOSM) được sử dụng để xác định độ tin cậy
và kết hợp với phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Nghiệm tối ưu đạt được cũng
là một mặt Pareto.
Letsios và cộng sự (Letsios et al. 2014) đã nghiên cứu một phương pháp thiết kế
tối ưu cho móng cọc. Hàm mục tiêu là cực đại hiệu suất sử dụng. Bài toán tối ưu này
được thực hiện theo hai tiêu chuẩn Eurocode 7 và DIN 4014. Phạm vi thiết kế được
thực hiện tại London, nước Anh.
Najafzadeh (Najafzadeh 2015) đã dựa trên hệ thống các phương pháp về nhóm
giải thuật tiến hóa mạng mờ, để dự đoán sự xói mòn của nhóm cọc trong điều kiện
nước sạch. Mục tiêu thiết kế là dự đoán độ sâu bị xói mòn cục bộ trong nhóm cọc.
Các tác giả đã sử dụng phương pháp Neuro-fuzzy GMDH được cải tiến từ phương

pháp bầy đàn (PSO) và thuật toán tìm kiếm hấp dẫn (GSA) để giải bài toán. Các thông
số xem xét bao gồm ảnh hưởng kích thước lớp bùn lắng, đặc điểm địa chất, sắp xếp
nhóm cọc và đặc điểm dòng chảy. Kết quả tính toán được so sánh với kết quả của
phương trình giải tích.
Các nghiên cứu trên cho thấy, mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về bài toán thiết kế
tối ưu hóa kết cấu cho phần ngầm công trình, tuy nhiên những nghiên cứu này chỉ đề
cập đến thiết kế tối ưu cho hàm đơn mục tiêu như trọng lượng móng cọc, hoặc đa
mục tiêu dựa trên độ tin cậy cho kết cấu khác nhau như: móng băng, trụ đá gia cố nền
đất, hệ chống vách hố đào, v.v. Ngoài ra, các phương pháp áp dụng cho các nghiên
cứu trên là giải thuật di truyền GA, giải thuật di truyền lai HGA, hay phương pháp


9

đánh giá độ tin cậy bậc hai FOSM. Do vậy cho đến thời điểm hiện tại, việc phát triển
và áp dụng giải thuật NSGA-II vào các bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho kết
cấu móng cọc vẫn chưa được thực hiện. Đặc biệt chưa có nghiên cứu về sự kết hợp
giữa giải thuật SLDM và NSGA-II, để giải bài toán thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy
cho loại móng này. Vì vậy trong luận văn sẽ sử dụng phương pháp SLDM – NSGA
– II để giải bài toán thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy cho kết cấu móng cọc. Đó cũng
là cơ sở giúp cho người thiết kế chọn được phương án móng phù hợp với nhu cầu và
thỏa mãn được các mục tiêu đặt ra cho các công trình xây dựng hiện nay.
1.2.2 Trong nước
Tại Việt Nam, trong những năm gần đây việc thiết kế tối ưu kết cấu cũng bắt đầu
phát triển. Đã có một số bài báo và luận văn đi sâu phân tích thiết kế tối ưu kết cấu
phần thân hoặc phần ngầm của công trình hoặc về vật liệu mới. Một số nghiên cứu
điển hình có thể kể đến như:
Võ Duy Trung và cộng sự (Vo Duy et al. 2017) đã thực hiện tối ưu hóa đa mục
tiêu cho kết cấu dầm composite laminate. Hàm mục tiêu là cực tiểu trọng lượng dầm
và cực đại tần số, với các biến thiết kế được sử dụng là tỷ lệ phân bố chất nền, chiều

dày và góc hướng sợi của các lớp. Trong đó tỷ lệ phân bố chất nền được xem là biến
liên tục, chiều dày và góc hướng sợi được xem là các biến rời rạc. Hàm ràng buộc
bao gồm ràng buộc về biến thiết kế và tần số dao động. Phương pháp chính được sử
dụng trong bài báo là giải thuật di truyền phân loại không trội NSGA-II.
Nguyễn Thời Trung và cộng sự (Trung et al. 2014) đã giới thiệu các bước cơ bản
để thành lập một bài toán phân tích độ tin cậy trong xây dựng và những phương pháp
giải phổ biến, cũng như giới thiệu một số ứng dụng của việc phân tích độ tin cậy và
những bài toán liên quan.
Bùi Trần Vĩnh Thái (Thái 2016), trong luận văn cao học của mình, đã nghiên cứu
về tối ưu hóa đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy cho kết cấu khung thép sử dụng giải
thuật một vòng lặp đơn. Hàm mục tiêu là cực tiểu trọng lượng và chuyển vị của khung
thép. Hàm ràng buộc bao gồm chuyển vị và độ bền của khung. Giải thuật một vòng


10

lặp đơn SLDM kết hợp với giải thuật NSGA – II được sử dụng để giải bài toán trong
luận văn.
Trần Văn Dần (Dần 2013), trong luận văn cao học, đã nghiên cứu tối ưu hóa dựa
trên độ tin cậy tấm composite nhiều lớp sử dụng giải thuật di truyền (Genetic
Algorithm – GA). Biến tối ưu là hướng sợi và chiều dày của các lớp. Hàm mục tiêu
là cực tiểu trọng lượng và tổng năng lượng biến dạng của tấm. Các ràng buộc bao
gồm ràng buộc về biến thiết kế (chiều dày, hướng sợi), ràng buộc về ứng xử (chuyển
vị cho phép, tần số cho phép, ứng suất cho phép theo tiêu chuẩn Tsai-Wu) và ràng
buộc về độ tin cậy (xác suất an toàn). Phương pháp độ tin cậy bậc nhất (FORM) được
sử dụng để đánh giá độ tin cậy cho kết cấu.
Ngô Thị Hồng Quyên (Quyên 2014), trong luận văn cao học, đã nghiên cứu tối
ưu dựa trên độ tin cậy khung thép tiền chế. Trong nghiên cứu này, hàm mục tiêu là
cực tiểu trọng lượng kết cấu, các ràng buộc bao gồm ràng buộc về chuyển vị, ứng
suất, độ mảnh và ổn định cục bộ của cấu kiện. Biến thiết kế là kích thước mặt cắt

ngang cột, kèo; biến ngẫu nhiên bao gồm mô đun đàn hồi của thép E, giới hạn chảy
của thép fy, hoạt tải sửa chữa HL, tải trọng gió W. Độ tin cậy được giả thiết trước là
99%. Bài toán tối ưu hóa được giải bằng 2 thuật toán tối ưu Differential Evolution
(DE) và Particle Swarm Optimization (PSO). Phương pháp DLM được sử dụng để
giải bài toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy.
Nguyễn Thụy Đoan Nhi (Nhi 2015), trong luận văn cao học, đã nghiên cứu tối
ưu hóa đa mục tiêu cho kết cấu tấm gấp composite sử dụng phương pháp NSGA-II
(Elitist Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm). Trong nghiên cứu này, biến thiết
kế là chiều dày và góc hướng sợi của mỗi lớp, hai hàm mục tiêu được xét là cực tiểu
trọng lượng và năng lượng của kết cấu, hàm ràng buộc gồm có ràng buộc chuyển vị
và ràng buộc ứng suất theo tiêu chuẩn Tsai-Wu.
Bên cạnh đó, thiết kế tối ưu phần ngầm cũng được quan tâm và đã có một số bài
nghiên cứu được thực hiện, điển hình như:
Nguyễn Minh Thọ (Thọ 2015), trong luận văn cao học, đã nghiên cứu tối ưu hóa
dựa trên độ tin cậy bài toán thiết kế móng cọc sử dụng phương pháp vòng lặp kép.


11

Hàm mục tiêu là cực tiểu thể tích móng cọc, biến thiết kế là đường kính Dc và chiều
dài cọc Lc. Hàm ràng buộc bao gồm ràng buộc về khả năng chịu tải Pmax, ràng buộc
về độ lún. Bài toán tối ưu hóa dựa trên độ tin cậy được giải bằng phương pháp vòng
lặp kép, trong đó phương pháp đánh giá độ tin cậy bậc 1 (First Order Reliability
Method – FORM) được lồng ghép vào vòng lặp của giải thuật bình phương tuần tự
(SQP – Sequential Quadratic Programming).
Các nghiên cứu trên cho thấy, các công trình nghiên cứu thiết kế tối ưu về phần
ngầm còn khá mới ở nước ta và vẫn còn nhiều hạn chế. Những nghiên cứu này chỉ
mới đề cập đến một trong nhiều khía cạnh của bài toán như chỉ thiết kế tối ưu, hoặc
chỉ phân tích độ tin cậy, hoặc thiết kế tối ưu dựa trên độ tin cậy cho kết cấu nhưng
chỉ áp dụng cho đơn mục tiêu, hoặc thiết kế tối ưu đa mục tiêu nhưng chỉ cho phần

kết cấu bên trên như khung, dàn. Trong khi đó, thường có rất nhiều mục tiêu cùng tác
động đến quá trình thiết kế trong thực tế. Do vậy nếu ta không xem xét đầy đủ các
mục tiêu hay các yếu tố ảnh hưởng, thì việc thiết kế tối ưu có thể làm cho kết cấu mất
an toàn hoặc gây lãng phí vốn đầu tư. Dựa vào những phân tích trên, luận văn này
được thực hiện nhằm thành lập và giải bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên
độ tin cậy cho kết cấu móng cọc. Hàm mục tiêu bao gồm cực tiểu thể tích móng cọc
và cực tiểu độ lún. Biến thiết kế bao gồm chiều dài cọc Lc và đường kính cọc Dc .
Biến ngẫu nhiên bao gồm chỉ tiêu cơ lý của đất nền c ,  ,  ; chiều dài cọc Lc ; đường
kính cọc Dc và nội lực của kết cấu tại chân cột gồm mô-men M , lực cắt Q , lực dọc
N . Ràng buộc bao gồm ràng buộc về giới hạn khả năng chịu tải Pmax và ràng buộc

về giới hạn độ lún Smax .
1.3 Các mục tiêu nghiên cứu
Mục tiêu nghiên cứu của luận văn:
-

Tìm hiểu và lập trình được code Matlab cho bài toán thiết kế kết cấu móng cọc

khoan nhồi theo phương pháp giải tích.
-

Tìm hiểu giải thuật di truyền phân loại không bị trội NSGA – II (Non-Dominated

Sorting Genetic Algorithm – II) và giải thuật một vòng lặp đơn xác định SLDM


12

(Single Loop Deterministic Method).
-

Thiết lập và giải bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu cho kết cấu móng cọc sử

dụng giải thuật NSGA – II.
-

Thiết lập và giải bài toán thiết kế tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy cho kết

cấu móng cọc sử dụng kết hợp giải thuật SLDM và NSGA – II.
1.4 Phạm vi nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu trong luận văn sẽ thực hiện các nội dung sau:
 Xét một móng cọc khoan nhồi điển hình của công trình Dự án Riverside Thủ Đức,
gồm 1 đài cọc và 6 cọc.
 Xem các vật liệu là đồng nhất
 Xem các ứng xử của nền đất là tuyến tính.
1.5 Cấu trúc luận văn
Cấu trúc của luận văn gồm có 4 chương:
Chương 1: Mở đầu
Trong chương này, luận văn giới thiệu về móng cọc, đặt ra vấn đề và hướng giải
quyết vấn đề, nêu tổng quan về tình hình nghiên cứu trên thế giới và trong nước.
Ngoài ra, luận văn cũng trình bày các mục tiêu nghiên cứu và phạm vi nghiên cứu.
Chương 2: Cơ sở lý thuyết
Chương này sẽ trình bày chi tiết các lý thuyết được sử dụng để giải các bài toán
trong luận văn, như: lý thuyết tính toán khả năng chịu tải của cọc theo hai trạng thái
giới hạn I và II; tổng quan về các giải thuật tối ưu hóa, tổng quan về lý thuyết phân
tích độ tin cậy; giải thuật một vòng lặp đơn xác định SLDM, giải thuật NSGA-II.
Chương 3: Kết quả số
Chương này sẽ trình bày một số kết quả số của các bài toán được đặt ra, bao gồm:
bài toán tính khả năng chịu tải của móng cọc dựa theo tiêu chuẩn Việt Nam TCXD
205 – 1998, bài toán tối ưu đa mục tiêu kết cấu móng cọc sử dụng giải thuật NSGAII, bài toán tối ưu đa mục tiêu dựa trên độ tin cậy cho kết cấu móng cọc sử dụng kết

hợp giữa giải thuật SLDM và NSGA – II.