Ứng xử của đất nền dưới đáy móng công trình biển trọng lực chịu tác động của tổ hợp các dạng tải trọng (luận án (theses))

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẶNG XUÂN TRƯỜNG

ỨNG XỬ CỦA ĐẤT NỀN DƯỚI ĐÁY MĨNG
CƠNG TRÌNH BIỂN TRỌNG LỰC CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA
TỔ HỢP CÁC DẠNG TẢI TRỌNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT

TP. HỒ CHÍ MINH NĂM 2019


ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐẶNG XUÂN TRƯỜNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KĨ THUẬT

ỨNG XỬ CỦA ĐẤT NỀN DƯỚI ĐÁY MĨNG
CƠNG TRÌNH BIỂN TRỌNG LỰC CHỊU TÁC ĐỘNG CỦA
TỔ HỢP CÁC DẠNG TẢI TRỌNG

Chuyên ngành: KỸ THUẬT ĐỊA CHẤT
Mã số chuyên ngành: 62.52.05.01

Phản biện độc lập 1: PGS.TS. Vũ Chí Hiếu
Phản biện độc lập 2: PGS.TS. Tạ Đức Thịnh
Phản biện 1: PGS.TS. Lê Văn Nam

Phản biện 2: PGS.TS. Đoàn Thế Tường
Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Minh Tâm

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC
1. PGS.TS. Đậu Văn Ngọ
2. PGS.TS. Nguyễn Hữu Bảng


LỜI CAM ĐOAN
Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả
nghiên cứu và các kết luận trong luận án này là trung thực, và không sao chép từ bất kỳ
một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào.Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được
thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án

Chữ ký

Đặng Xuân Trường

1


TĨM TẮT LUẬN ÁN
Cơng trình biển trọng lực là một trong hai dạng chủ yếu được áp dụng khi xây dựng
cơng trình biển cố định, bao gồm cả ngồi khơi và ven bờ. Tải trọng tác động lên cơng
trình và vấn đề nền móng vẫn đang cịn nhiều thách thức đối với các nhà thiết kế. Hơn
nữa, chi phí xây dựng dạng cơng trình này thường là rất lớn. Chính vì vậy, việc xác định
cơ sở dữ liệu đầu vào và phương pháp tính tốn nhằm đảm bảo tính ổn định lâu dài mà
tiết kiệm chi phí đầu tư là những vấn đề thực sự phải quan tâm.

Luận án này được thực hiện với mong muốn giải quyết được vài vấn đề trong số nhiều
vấn đề cần phải quan tâm như đã nêu trên.
Các nội dung nghiên cứu cụ thể như sau:
 Phần thứ nhất của luận án xác định các dạng tải trọng tác động vào cơng trình
biển trọng lực. Trong đó lý thuyết hồi quy và quy hoạch thực nghiệm được áp
dụng để xác định các thông số ngẫu nhiên của tải trọng mà cụ thể là các thơng số
sóng biển. Trong phần này, tác giả đã xây dựng bài tốn xác định áp lực sóng cực
đại tác động lên trụ cơng trình biển trọng lực kích thước lớn có tiết diện thay đổi
đặt trong vùng nước sâu.
 Phần thứ hai là bài toán xác định biến dạng của đất nền được phân tích theo cơ
học vật rắn biến dạng và lý thuyết đàn hồi trong bán không gian vơ hạn. Xây
dựng phần mềm máy tính để thiết lập miền đồng mức của chuyển vị của đất nền
dưới đáy móng cơng trình biển trọng lực khi chịu tác động đồng thời của các
dạng tải trọng gây ra.
Các nghiên cứu chính trong luận án đều được tác giả xây dựng phần mềm tính tốn
nhằm tự động hóa q trình tính tốn khi cần thay đổi các thơng số đầu vào. Các kết quả
nghiên cứu trong luận án cũng được cơng bố trên các tạp chí uy tín trong nước và nước
ngoài (02 bài báo Quốc tế, 01 bài báo trong nước và 5 bài báo khác có liên quan).

2


ABSTRACT
Gravity based structure (GBS) is one of two main types used in the construction of fixed
marine structures, including offshore and inshore. The impact of load on the structure
and foundation issues are still challenging for designers. Moreover, the cost of
construction on these types of structures is usually very large. Therefore, the
determination of the input database and the method of calculation to ensure long-term
stability and save the cost of investment are the real issues to pay attention.
This dissertation is emplemented with the desire to solve the several problems of the

many issues that need attention as mentioned above.
Specific research contents are as follows:
 The part 1: The thesis determines the types of load to impact on gravity based
structures. In which the regression theory and experimental planning are applied
to determine the random parameters of the load, namely the wave parameters. In
this Chapter, the author has prepared the calculation to determine the maximum
wave pressure acting on a large gravity based structures with varied cross section
located in deep water.
 The part 2: This is the main content of the thesis. It said that the vertical load
impacted on the bottom of the foundation to transform from the uniform load to
cross section on the entire bottom of the foundation. The problem of determining
the deformation of the soil is analyzed by solid and elastic theory in the semiinfinite space. Computer program establish in the contour domain of the soil
substrate under the bottom of the gravity based structures subjected to
simultaneous effects of various types of load.
The main content of thesis is prepared by the author aim to automate the calculation
process when the input parameters are changed. The research results in the dissertation
are also published in prestigious domestic and international journal (two international
and one national journal).

3


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới Ban giám hiệu, Phòng đào tạo Sau
đại học, Khoa Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí, Bộ môn Địa kỹ thuật trường đại học Bách
khoa – ĐHQG TP. Hồ Chí Minh đã tạo điều kiện và giúp đỡ tơi trong q trình học tập
và nghiên cứu tại trường.
Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến NGƯT.PGS.TS. Đậu Văn Ngọ và PGS.TS.
Nguyễn Hữu Bảng (Trường Đại học Mỏ Địa chất) đã tận tình giúp đỡ, hướng dẫn và
động viên tôi thực hiện luận án này.

Tôi xin được gửi lời cảm ơn chân thành đến TS. Tạ Quốc Dũng (Trưởng khoa Kỹ thuật
Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí), PGS.TS. Nguyễn Việt Kỳ (Chủ nhiệm Bộ môn Địa Kỹ
thuật), PGS.TS. Trần Văn Xuân (Chủ nhiệm Bộ mơn Địa chất – Dầu khí) và các Q
thầy cơ khoa Kỹ thuật Địa chất và Dầu khí nói chung, bộ mơn Địa Kỹ thuật nói riêng đã
tạo điều kiện, giúp đỡ và động viên tơi hồn thành luận án này.
Xin chân thành cảm ơn Đảng uỷ - Ban Giám hiệu và khoa Kỹ thuật xây dựng trường đại
học Giao thơng vận tải TP. Hồ Chí Minh (nơi tơi cơng tác) đã tạo điều kiện thuận lợi
cho tôi học tập nghiên cứu.
Cuối cùng, tơi xin được bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến tất cả những người thân trong
gia đình đã động viên và khích lệ tơi hồn thành nhiệm vụ này.
Thành phố Hồ Chí Minh, năm 2019
Tác giả luận án
Đặng Xuân Trường

4


MỤC LỤC
DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH......................................................................................9
DANH MỤC BẢNG BIỂU ...........................................................................................12
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT ...............................................................................13
MỞ ĐẦU .......................................................................................................................14
1.

Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu ......................................................................14

2.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu .........................................................................14

3.

Mục đích của luận án .............................................................................................15

4.

Những luận điểm bảo vệ........................................................................................16

5.

Nhiệm vụ của luận án ............................................................................................16

6.

Nội dung nghiên cứu của luận án ..........................................................................17

7.

Phương pháp nghiên cứu của luận án ....................................................................17

8.

Những điểm mới về mặt khoa học của luận án .....................................................18

9.

Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án ............................................................18

10.

Cơ sở tài liệu của luận án ....................................................................................19

11.

Cấu trúc của luận án ............................................................................................19

CHƯƠNG 1
NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH BIỂN TRỌNG
LỰC VÀ ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG BIỂN KHU VỰC NGHIÊN CỨU .................20
1.1

Tổng quan về cơng trình biển trọng lực ...........................................................20

1.1.1

Cơng trình biển trọng lực trên thế giới ......................................................20

1.1.2

Phương pháp xây dựng..............................................................................28

1.1.3

Cơng trình biển trọng lực ở Việt Nam ......................................................30

1.1.4

Nhận xét và đề xuất ...................................................................................32

1.2

Đặc điểm khu vực nghiên cứu .........................................................................33

1.2.1

Giới thiệu về Bể Nam Côn Sơn.................................................................33

1.2.2

Các yếu tố cấu trúc và kiến tạo .................................................................33

1.2.3

Lịch sử phát triển địa chất .........................................................................34

1.2.4

Địa tầng, trầm tích và mơi trường .............................................................36

1.3

Đặc điểm mơi trường và các dạng tải trọng tác động ......................................44

1.3.1

Các tình huống để xác định tải trọng tác động lên CTBTL ......................44

1.3.2

Các loại tải trọng tác động lên CTBTL .....................................................44

5


1.3.3

Tổ hợp tải trọng .........................................................................................46

1.3.4

Xác định các tải trọng chính tác động lên CTBTL ...................................47

1.4

Tổng quan về ứng xử của đất nền dưới đáy móng CTBTL .............................51

1.4.1 Tình hình nghiên cứu về ứng xử của đất nền dưới đáy móng cơng trình
biển trọng lực trên thế giới ....................................................................................51
1.4.2 Tình hình nghiên cứu về ứng xử của đất nền dưới đáy móng cơng trình
biển trọng lực ở Việt Nam .....................................................................................53
1.5

Nhận xét cuối chương ......................................................................................53

CHƯƠNG 2
PHÂN TÍCH THƠNG SỐ SĨNG BẰNG LÝ THUYẾT HỒI QUY
VÀ QUY HOẠCH THỰC NGHIỆM ...........................................................................55
2.1

Tải trọng sóng và các lý thuyết đang áp dụng .................................................55

2.1.1

Lý thuyết sóng điều hịa ............................................................................55

2.1.2

Lý thuyết sóng ngẫu nhiên ........................................................................56

2.2

Đề xuất mới cách xác định thơng số sóng biển ...............................................57

2.2.1

Cách xác định các thơng số sóng biển ......................................................57

2.2.2 Phương pháp xác định tải trọng sóng cực đại tác động lên trụ CTBTL có
tiết diện thay đổi trong vùng nước sâu ..................................................................58
2.3

Lý thuyết hồi quy .............................................................................................58

2.4

Tính các hệ số của hàm hồi quy .......................................................................62

2.5

Quy hoạch thực nghiệm ...................................................................................64

2.6

Ý nghĩa của hàm hồi quy .................................................................................67

2.7

Áp dụng phương pháp hàm hồi quy để tính chiều cao sóng biển ....................68

2.7.1

Tổng hợp số liệu khảo sát .........................................................................68

2.7.2

Kết quả tính tốn .......................................................................................69

2.8 Tính tốn tải trọng sóng tác dụng lên trụ cơng trình biển trọng lực có tiết diện
thay đổi trong vùng nước sâu ....................................................................................70
2.8.1

Đặc điểm của tải trọng sóng tác dụng lên trụ CTBTL ..............................70

2.8.2

Tổng quan về tình hình nghiên cứu tải trọng sóng tác dụng lên trụ .........71

2.8.3

Nhận xét và đề xuất ...................................................................................72

2.8.4

Cơ sở lý thuyết của bài tốn sóng tác động lên trụ ...................................73

2.8.5

Áp dụng cho mơ hình nghiên cứu .............................................................74

6


CHƯƠNG 3
ÁP DỤNG LÝ THUYẾT ĐÀN HỒI VÀ CƠ HỌC VẬT RẮN BIẾN
DẠNG ĐỂ XÁC ĐỊNH CHUYỂN VỊ CỦA NỀN ĐẤT DƯỚI ĐÁY MĨNG CƠNG
TRÌNH BIỂN TRỌNG LỰC.........................................................................................79
3.1

Các vấn đề của đất nền.....................................................................................79

3.2

Móng của cơng trình biển trọng lực .................................................................79

3.3

Sức chịu tải của móng khi chịu tải trọng nén đúng tâm ..................................80

3.4

Móng trọng lực chịu tải trọng tổng quát ..........................................................82

3.5

Chuyển vị của đất nền trong bán không gian vô hạn .......................................83

3.5.1

Chuyển vị của bán không gian vô hạn do tải trọng tập trung gây ra ........83

3.5.2

Thuật toán để lập chương trình máy tính ..................................................87

3.5.3

Tính chuyển vị theo phương r với tải trọng phân bố đều q - đúng tâm ....88

3.5.4 Tính chuyển vị theo phương r với trường hợp tổng quát chịu tải trọng
phân bố đều q và momen M ..................................................................................90
3.5.5

Đề xuất áp dụng tính chuyển vị đất nền ....................................................91

CHƯƠNG 4
NGHIÊN CỨU ỨNG XỬ CỦA ĐẤT NỀN DƯỚI ĐÁY MĨNG
CƠNG TRÌNH BIỂN TRỌNG LỰC TẠI KHU VỰC MỎ ĐẠI HÙNG .....................92
4.1

Điều kiện địa chất cơng trình ...........................................................................92

4.1.1

Đánh giá điều kiện địa chất khu vực mỏ Đại Hùng ..................................92

4.1.2

Xác định tải trọng tác động .......................................................................97

4.1.3

Kết quả tính tốn bằng chương trình máy tính .........................................98

4.1.4

Nhận xét ..................................................................................................100

4.2

Bài tốn so sánh – Tính toán sức chịu tải của nền theo Cơ học đất...............100

4.2.1

Áp lực dưới đáy móng.............................................................................100

4.2.2

Sức chịu tải của nền ................................................................................101

4.2.3

Tính lún cho cơng trình ...........................................................................101

4.2.4

Nhận xét ..................................................................................................107

4.3

Mơ hình bài tốn trong PLAXIS ....................................................................108

4.3.1

Các thơng số vật liệu nhập vào bài tốn ..................................................108

4.3.2

Mơ hình bài tốn .....................................................................................108

4.3.3

Kết quả tính tốn .....................................................................................110

4.3.4 Phân tích ổn định và so sánh độ lún giữa các vùng khác nhau dưới khối
móng .................................................................................................................111
4.4

Nhận xét kết quả ............................................................................................112
7

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................113


Kết luận ..........................................................................................................113



Kiến nghị ........................................................................................................114

DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ ............................................................115
TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................117
PHỤ LỤC 1 .................................................................................................................120
PHỤ LỤC 2 .................................................................................................................125
PHỤ LỤC 3 .................................................................................................................129

8


DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH
Hình 1. Vị trí Mỏ Đại Hùng trong Bể Nam Cơn Sơn.................................................... 15

Hình 1.1 Hình dạng dàn khoan bê tông trọng lực phát triển theo chiều sâu nước ........ 26
Hình 1.2 Mẫu dàn khoan dạng CONDEEP ................................................................... 26
Hình 1.3 Mẫu dàn khoan dạng ANDOC ....................................................................... 26
Hình 1.4 Mẫu dàn khoan dạng SEA TANK .................................................................. 26
Hình 1.5 Mẫu dàn khoan dạng CG Doris ...................................................................... 27
Hình 1.6 Mẫu dàn khoan dạng Ove Arup...................................................................... 27
Hình 1.7 Quá trình đúc khối đế dàn khoan trọng lực ở bể đúc cạn ............................... 29
Hình 1.8 Quá trình lai dắt khối đế dàn khoan trọng lực trên biển ................................. 29
Hình 1.9 Khối đế dàn khoan trọng lực khi đã được đánh chìm .................................... 29

Hình 1.10 Lắp đặt phần sàn cơng tác và dàn khoan vào khối đế .................................. 30
Hình 1.11 Cơng trình Nhà dàn DK1 ............................................................................. 31
Hình 1.12 Cơng trình đèn biển ở đảo Nam Yết ............................................................ 31
Hình 1.13 Cột điện gió, Nhà máy điện Bạc Liêu ......................................................... 32
Hình 1.14 Mặt cắt địa chấn minh hoạ các dạng bẫy cấu trúc ........................................ 35
Hình 1.15 Mặt cắt địa chấn minh hoạ các chu kỳ phát triển địa chất .......................... 35
Hình 1.16 Cột địa tầng tổng hợp bể Nam Cơn Sơn ...................................................... 39

Hình 2.1 Đối tượng phi tuyến nhiều chiều ................................................................... 59
Hình 2.2 Mối phụ thuộc hàm số .................................................................................... 59
Hình 2.3 Mối phụ thuộc nhiễu loạn ............................................................................... 60
Hình 2.4 Kết quả chạy chương trình tính thơng số sóng ............................................... 70
9


Hình 2.5 Tải trọng tác động lên trụ thẳng đứng ............................................................ 73
Hình 2.6 Mơ hình nghiên cứu ........................................................................................ 74
Hình 2.7 Kết quả biểu đồ lực ngang fx theo Morison và tính momen M ...................... 77

Hình 3.1 Khái qt về móng của CTBTL ..................................................................... 80
Hình 3.2 Sự ép phình ra của đất do sự đặt tải đúng tâm lên móng ............................... 81
Hình 3.3 Sơ đồ rút gọn của phân bố áp lực dưới đáy móng do lực và momen ............. 82
Hình 3.4 Ứng suất theo phương r ................................................................................. 83
Hình 3.5 Chuyển vị và ứng suất ................................................................................... 84
Hình 3.6 Chuyển vị trên đường trịn d với lực tập trung P ............................................ 87
Hình 3.7 Chuyển vị trong bán không gian vô hạn do q phân bố .................................. 88
Hình 3.8 Chuyển vị trên đường trịn d với lực phân bố q ............................................ 90
Hình 3.9 Tính chuyển vị trong bán khơng gian vơ hạn do q và momen gây ra ........... 91

Hình 4.1 Vị trí Mỏ Đại Hùng theo lưới tọa độ ............................................................. 92

Hình 4.2 Vị trí của mỏ Đại Hùng ở phía Nam biển Đơng ............................................ 93
Hình 4.3 Hình trụ hố khoan và các chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất ................................ 95
Hình 4.4 Mơ hình nghiên cứu và kích thước cơ bản .................................................... 97
Hình 4.5 Miền đồng mức của chuyển vị trường hợp chịu tải trọng tập trung P đúng tâm
và trường hợp chịu tải trọng phân bố đều q đồng thời với tải trọng tập trung P đặt lệch
tâm ................................................................................................................................. 98
Hình 4.6 Miền đồng mức của chuyển vị chịu tải trọng tập trung P đúng tâm .............. 99
Hình 4.7 Miền đồng mức của chuyển vị chịu tải trọng phân bố đều q đồng thời với tải
trọng tập trung P đặt lệch tâm........................................................................................ 99
Hình 4.8 Biểu đồ nén lún e-P của lớp 1 - Cát pha ....................................................... 103
10


Hình 4.9 Biểu đồ nén lún e-P của lớp 2 - Cát pha chặt vừa ........................................ 103
Hình 4.10 Biểu đồ nén lún e-P của lớp 4 - Bùn sét ..................................................... 104
Hình 4.11 Biểu đồ nén lún e-p của lớp 7 - Cát pha ..................................................... 104
Hình 4.12 Biểu đồ nén lún e-P của lớp 10 - Bùn sét cứng .......................................... 105
Hình 4.13 Tải trọng tác động tại đáy móng cơng trình ............................................... 109
Hình 4.14 Các giai đoạn tính tốn được giả thiết ........................................................ 109
Hình 4.15 Độ lún của đất nền do tải trọng bản thân cơng trình gây ra ....................... 110
Hình 4.16 Độ lún của đất nền do tải trọng bản thân cơng trình và các tải trọng ngang
gây ra ........................................................................................................................... 110
Hình 4.17 Vị trí các điểm lún khác nhau trên đáy móng............................................. 111
Hình 4.18 Biến dạng dưới đế móng khi chịu tải trọng ngang ..................................... 112

11


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng 01 Những dàn khoan bê tông trọng lực đã được xây dựng .................................. 21

Bảng 1.1 Bảng tổ hợp tải trọng để tính tốn thiết kế cơng trình biển cố định .............. 46
Bảng 2.1 Kết quả thí nghiệm của Boxa - Wilsona ........................................................ 66
Bảng 2.2 Bảng số liệu sóng quan trắc tại khu vực mỏ Đại Hùng (phase 2) .................. 68
Bảng 2.3 Bảng chu kì sóng quan trắc tại khu vực mỏ Đại Hùng (phase 2) .................. 68
Bảng 3.1 Các giá trị của hệ số Nc và Nγ (lớn nhất φ =45)............................................ 81
Bảng 3.2 Số Bn .............................................................................................................. 89
Bảng 4.1 Vị trí tọa độ khoan khảo sát ........................................................................... 92
Bảng 4.2 Tổng hợp các thông số cơ bản của các lớp đất trong hố khoan khảo sát ....... 96
Bảng 4.3 Tổng hợp tải trọng cơng trình ........................................................................ 97
Bảng 4.4 Hệ số ktr ........................................................................................................ 102
Bảng 4.5 Kết quả tính lún theo phương pháp tổng phân tố ......................................... 105
Bảng 4.6 Các thơng số vật liệu trong mơ hình bài tốn ............................................. 108
Bảng 4.7 Tọa độ các điểm dưới đế móng được so sánh lún ....................................... 111

12


DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
ANDOC

Anglo Dutch Offshore Concrete

BTCT

Bê tông cốt thép

CHVRBD

Cơ học vật rắn biết dạng

CTBTL

Cơng trình biển trọng lực

CTBTLBT Cơng trình biển trọng lực bê tơng
CONDEEP Concrete Deep water structure
CGBS

Concrete Gravity Based Structure

CGS

Concrete Gravity Substructure

GBS

Gravity Based Structure

LPG

Liquefied Petroleum Gas

LTĐH

Lý thuyết đàn hồi

OGP

The International Association of Oil & Gas Producers

SBVL

Sức bền vật liệu

TTGH

Trạng thái giới hạn

13


MỞ ĐẦU
1. Tính cấp thiết của đề tài nghiên cứu
Cơng trình biển trọng lực (CTBTL) là một loại cơng trình có kích thước lớn, tải trọng
nặng, đặt trực tiếp trên bề mặt đáy biển, được thiết kế và xây dựng theo nguyên lý lấy
trọng lượng bản thân và trọng lượng sử dụng để cân bằng và đủ cản lại các tải trọng do
mơi trường ngồi tác động.
Tải trọng tác động lên cơng trình gồm: Tải trọng thường xun, tải trọng sử dụng, tải
trọng môi trường, tải trọng động đất. Trong đó tải trọng mơi trường do sóng biển là loại
tải trọng phức tạp và phụ thuộc vào kích thước cũng như độ cứng của cơng trình. Việc
nghiên cứu trụ CTBTL có tiết diện lớn và kích thước thay đổi trong vùng nước sâu chịu
tải trọng của sóng vẫn cịn ít được quan tâm. Một trong các vấn đề của luận án quan tâm
là lý thuyết hồi quy và quy hoạch thực nghiệm được đưa vào để phân tích các thơng số
của tải trọng có tính chất ngẫu nhiên. Tiếp đến là nghiên cứu về biến dạng và vẽ miền
đồng mức của chuyển vị của đất nền dưới đáy móng CTBTL.
Nội dung của luận án là một nghiên cứu tổng hợp về tải trọng tác động và ứng xử của
đất nền dưới đáy móng Cơng trình biển trọng lực (CTBTL). Kết quả của luận án sẽ góp
phần vào q trình nghiên cứu, thiết kế và xây dựng cơng trình Ụ chìm dưới biển phục
vụ mục đích phịng thủ Quốc phịng của Việt Nam ở Biển Đông.

2. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2.1.

Đối tượng nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu của luận án là các dạng, các loại tải trọng tác động lên CTBTL và
đất nền dưới đáy móng CTBTL.
2.2.

Phạm vi nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu của luận án là khu vực Mỏ Đại Hùng nằm trong Bể Nam Côn Sơn
thuộc thềm lục địa phía Nam Việt Nam trong Biển Đơng với chiều sâu nước biển là
khoảng 110m.

14


Hình 1. Vị trí Mỏ Đại Hùng trong Bể Nam Cơn Sơn

3. Mục đích của luận án
Luận án được thực hiện với mục đích xác định các dạng tải trọng tác động lên CTBTL.
Từ đó xác định ứng xử của đất nền dưới đáy móng CTBTL nhằm tối ưu hóa diện tích
đáy móng, trọng lượng cần thiết của khối đế (dằn) cũng như các điều kiện ổn định khác
của công trình dạng này.

15


4. Những luận điểm bảo vệ

Nhằm xác định đầy đủ và chuẩn xác các dạng và giá trị của tải trọng tác động lên CTBTL
cũng như ứng xử của đất nền dưới đáy móng, luận án này sẽ tập trung phân tích và bảo
vệ các luận điểm như sau:
 Luận điểm 1: Lý thuyết hồi quy và quy hoạch thực nghiệm là cần thiết áp dụng
để xác định các thông số của tải trọng khi thơng số tải trọng có tính chất ngẫu
nhiên và phức tạp.
 Luận điểm 2: Tích phân Elliptic

 xtg (ax)dx

được lấy khi và chỉ khi phân tích

hàm dưới dấu tích phân ra chuỗi, sau đó lấy tích phân thơng qua các hàm chứa
hệ số Bn của Bernoulli.
 Luận điểm 3: Xác định chuyển vị của đất nền dưới đáy móng CTBTL theo mơ
hình bài tốn Flamand trong Lý thuyết đàn hồi và vẽ miền đồng mức của chuyển
vị là một cách tính mới, đáng tin cậy.

5. Nhiệm vụ của luận án
Để đáp ứng được các yêu cầu của một luận án tiến sĩ cũng như đảm bảo được tính khoa
học và thực tiễn, đồng thời đủ cơ sở để chứng minh các luận điểm nêu trên, luận án thực
hiện các nhiệm vụ chính sau đây:
 Xác định các dạng tải trọng, tổ hợp tải trọng và quan điểm tính tốn tải trọng tác
động lên CTBTL.
 Tính tốn chuyển vị của đất nền dưới đáy móng CTBTL theo quan điểm của Cơ
học vật rắn biến dạng và lý thuyết đàn hồi. Kết quả tính tốn được thể hiện bằng
miền đồng mức của chuyển vị của đất nền.
 Xây dựng các phần mềm nhằm tự động hóa tính toán đối với các nội dung đã
nghiên cứu.

16


6. Nội dung nghiên cứu của luận án
 Nghiên cứu cấu trúc địa chất và các đặc điểm về môi trường biển khu vực Mỏ
Đại Hùng trong Bể Nam Côn Sơn.
 Áp dụng lý thuyết hồi quy và quy hoạch thực nghiệm để phân tích và xác định
các thơng số tải trọng có tính chất ngẫu nhiên, phức tạp.
 Lập phần mềm xác định thơng số sóng biển theo phương pháp Hàm hồi quy.
 Vận dụng lý thuyết sóng Airy và các biến đổi toán học để xây dựng bài tốn xác
định áp lực sóng cực đại lên trụ thẳng đứng kích thước lớn, có tiết diện thay đổi
trong vùng nước sâu.
 Lập phần mềm tính tốn áp lực sóng cực đại lên trụ thẳng đứng có tiết diện thay
đổi trong vùng nước sâu.
 Xây dựng bài tốn tính chuyển vị của đất nền dưới đáy móng CTBTL trong bán
khơng gian vô hạn theo Cơ học vật rắn biến dạng và lý thuyết đàn hồi.
 Lập phần mềm tính tốn và vẽ miền đồng mức của chuyển vị đất nền dưới đáy
móng CTBTL trong bán khơng gian vơ hạn theo cơ học vật rắn biến dạng và lý
thuyết đàn hồi.

7. Phương pháp nghiên cứu của luận án
Luận án được thực hiện bằng các phương pháp sau:
 Phương pháp phân tích và hệ thống: Tìm hiểu, phân tích, đánh giá các thành tựu
khoa học hiện tại và ứng dụng để giải quyết các vấn đề đặt ra trong luận án.
 Phương pháp thống kê xác suất: Thiết lập các mối quan hệ toán học đồng thời sử
dụng lý thuyết hồi quy và quy hoạch thực nghiệm để giải quyết bài toán xác định
thông số tải trọng từ nhiều biến số ngẫu nhiên.
 Phương pháp biến đổi tốn học: Sử dụng cơng thức Simpson thay cho cách lấy
tích phân thơng thường vốn tìm nghiệm khá phức tạp để giải quyết bài tốn trụ
17

thẳng đứng có tiết diện thay đổi. Áp dụng lý thuyết đàn hồi và cơ học vật rắn biến
dạng để giải quyết bài toán biến dạng của nền đất trong bán khơng gian vơ hạn.
Dùng các phép biến đổi tốn cơ để chuyển các lực về tải phân bố đều q, từ đó dễ
dàng tính biến dạng.
 Phương pháp mơ hình: Lập các phần mềm máy tính nhằm tự động hóa tính tốn
các nội dung đã nghiên cứu bằng ngơn ngữ Visual Basic.

8. Những điểm mới về mặt khoa học của luận án
 Lý thuyết hồi quy và quy hoạch thực nghiệm được đưa vào để xác định các thông
số của tải trọng đối với các loại tải trong có tính chất ngẫu nhiên, phức tạp.
 Lý thuyết sóng Airy và cơng thức Morison được áp dụng để tính tốn sơ bộ áp
lực sóng tác động lên trụ của CTBTL có tiết diện thay đổi trong vùng nước sâu.
 Việc tính tích phân

 xtg (ax)dx

đã được lấy bằng cách phân tích hàm dưới dấu

tích phân ra chuỗi, sau đó lấy tích phân thơng qua các hàm chứa hệ số Bn của
Bernoulli. Lời giải này cũng là lời giải lần đầu tiên được đề cập trong Lý thuyết
đàn hồi. Cách tính này của tác giả có ý nghĩa khoa học về lý thuyết và thực tiễn
khi tính nền móng CTBTL.
 Cách vẽ miền đồng mức của chuyển vị của đất nền cũng là một điểm mới, giúp
ta dễ hình dung tính chất biến dạng của đất dưới móng CTBTL.

9. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của luận án
9.1.

Ý nghĩa khoa học

 Luận án đã nghiên cứu cơ bản về nền móng của CTBTL kích thước lớn ở khu
vực Bể Nam Cơn Sơn nói riêng và Biển Đơng nói chung.
 Lần đầu tiên nghiên cứu về đặc điểm môi trường, tải trọng và tổ hợp tải trọng tác
động lên CTBTL tại Biển Đông.

18


 Bài toán về ứng xử của đất nền dưới đáy móng cơng trình biển trọng lực theo
quan điểm của Cơ học vật rắn biến dạng và Lý thuyết đàn hồi lần đầu được đề
cập và cho kết quả đáng tin cậy.
9.2.

Ý nghĩa thực tiễn

 Có thể áp dụng các kết quả nghiên cứu của luận án cho việc tính tốn, thiết kế và
xây dựng các cơng trình khai thác dầu khí và tài ngun thiên nhiên dưới đáy
biển.
 Có thể áp dụng các kết quả nghiên cứu của luận án để thiết kế, xây dựng các nhà
dàn trên biển, trụ đỡ đèn biển, trụ đỡ tuốc bin phong điện.
 Đặc biệt có thể tiếp tục nghiên cứu để thiết kế và xây dựng cơng trình Ụ chìm
dưới biển phục vụ cơng tác phịng thủ Quốc phịng ở Biển Đơng.

10. Cơ sở tài liệu của luận án
Luận án được xây dựng trên cơ sở kết quả của các nghiên cứu từ trước đến nay, cũng
như những kinh nghiệm rút ra từ quá trình nghiên cứu, giảng dạy và chuyển giao công
nghệ của bản thân tác giả. Luận án cũng được tham khảo và phân tích từ nhiều kết quả
đã cơng bố và tài liệu lưu trữ của nhiều cá nhân, tập thể các nhà khoa học trong và ngoài

nước.

11. Cấu trúc của luận án
Luận án gồm có 04 chương, dày 119 trang và 15 trang phụ lục, 14 bảng biểu và 51 hình
ảnh, được hồn thành tại Bộ mơn Địa Kĩ thuật, khoa Kĩ thuật địa chất và Dầu khí, trường
đại học Bách khoa – Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh dưới sự hướng dẫn của
Nhà giáo ưu tú PGS.TS. Đậu Văn Ngọ và PGS.TS. Nguyễn Hữu Bảng.

19


CHƯƠNG 1

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ CƠNG TRÌNH BIỂN
TRỌNG LỰC VÀ ĐẶC ĐIỂM MÔI TRƯỜNG BIỂN KHU
VỰC NGHIÊN CỨU

1.1 Tổng quan về cơng trình biển trọng lực
1.1.1 Cơng trình biển trọng lực trên thế giới
Từ năm 1973, trên thế giới bắt đầu xuất hiện các Cơng trình biển trọng lực (CTBTL) bê
tơng cốt thép theo ngun lý móng nơng, giữ ổn định ở vị trí xây dựng bằng trọng lượng
bản thân và tải trọng công nghệ thường được gọi là cơng trình biển trọng lực bê tơng với
cơng dụng ch các dàn khoan dầu khí ngồi khơi.
Cơng trình biển trọng lực đầu tiên là dàn khoan dầu khí được thiết kế bởi công ty DORIS
(Pháp), xây dựng từ tháng 6 năm 1973 tại mỏ Ekofish (Biển Bắc) và đưa vào khai thác
năm 1977 ở độ sâu 71m. Dàn khoan trọng lực đầu tiên này là bể chứa dầu của Ekofisk.
Dàn khoan được sử dụng để hỗ trợ các thiết bị khoan và sản xuất thiết bị chế biến, bao
gồm máy nén, lưu trữ, và thiết bị bơm. Ngay sau đó dạng kết cấu này phát triển và trở
thành một trong những ưu thế đối với các cơng trình ngồi khơi (đã có hơn 12 cơng trình
trọng lực bê tơng được đưa vào hoạt động ngay trong giai đoạn này). Đây là một dàn

khoan nhiều trụ (1, 2, 3 hoặc 4 trụ) làm thùng chứa dầu đến 1/3 chiều cao của dàn với
đường kính móng lớn lên đến 150m và độ sâu lắp đặt đến -350m so với mặt nước biển.
Những cơng trình đồ sộ trong lĩnh vực dầu khí bằng kết cấu bê tông cốt thép trọng lực
tập trung chủ yếu tại khu vực Biển Bắc với 4 dàn khoan đã được xây dựng. Cơng trình
được xây dựng gần đây nhất là dàn GBS Monotower tại mỏ Hebron – Canada của công
ty Exxon Mobil Properties được xây dựng vào năm 2015.
Về vật liệu xây dựng và kết cấu cũng phong phú và đa dạng tùy theo chiều sâu nước
biển và đặc điểm sử dụng. Tuy nhiên ta thường thấy CTBTL ở dạng kết cấu thép trọng
lực và kết cấu bê tơng cốt thép trọng lực. Trường hợp đặc biệt có thể kết hợp giữa bê
tông cốt thép và thép như phần đế móng bằng bê tơng cốt thép cịn phần trụ đỡ bằng
thép và phần sàn cùng với thượng tầng bằng thép.

20


Bảng 01. NHỮNG DÀN KHOAN BÊ TÔNG TRỌNG LỰC ĐÃ ĐƯỢC XÂY DỰNG
STT

Năm xây
dựng

Độ sâu lắp
đặt

Địa điểm

1

1973

Phillips

Ekofisk

Tank - DORIS

71 m

North Sea (N)

DORIS

2

1975

Mobil

Beryl A

Condeep 3 shafts

118 m

North Sea
(UK)

NC/Olav Olsen

3

1975

Shell

Brent B

Condeep 3 shafts

140 m

North Sea
(UK)

NC/Olav Olsen

4

1975

Elf

Frigg CDP1

CGS 1 shaft, Jarlan
Wall

104 m

North Sea

(UK)

DORIS

5

1976

Shell

Brent D

Condeep 3 shafts

140 m

North Sea
(UK)

NC/Olav Olsen

6

1976

Elf

Frigg TP1

CGS 2 shafts

104 m

North Sea
(UK)

Sea Tank

7

1976

Elf

Frigg MCP-01

CGS 1 shaft, Jarlan
Wall

94 m

North Sea (N)

DORIS

8

1977

Shell

Dunlin A

CGS 4 shafts

153 m

North Sea
(UK)

ANDOC

Nhà khai thác

Loại cấu trúc

Tên dàn

21

Cty Thiết kế


9

1977

Elf

Frigg TCP2

Condeep 3 shafts

104 m

North Sea (N)

NC/Olav Olsen

10

1977

Mobil

Statfjord A

Condeep 3 shafts

145 m

North Sea (N)

NC/Olav Olsen

11

1977

Petrobras

Ubarana-Pub 3

CGS caisson

15 m

Brazil

12

1978

Petrobras

Ubarana-Pub 2

CGS caisson

15 m

Brazil

13

1978

Petrobras

Ubarana-Pag 2

CGS caisson

15 m

Brazil

14

1978

TAQA Bratani

Cormorant A

CGS 4 shafts

149 m

North Sea
(UK)

Sea Tank

15

1978

Chevron

Ninian Central

CGS 1 shaft, Jarlan
Wall

136 m

North Sea
(UK)

DORIS

16

1978

Shell

Brent C

CGS 4 shafts

141 m

North Sea
(UK)

Sea Tank

17

1981

Mobil

Statfjord B

Condeep 4 shafts

145 m

North Sea (N)

NC/olav Olsen

18

1981

Amoco Canada

Tarsiut Island

4 hollow caissons

16 m

Beaufort Sea

19

1982

Phillips

Maureen ALC

Concrete base artic.
LC

92 m

North Sea
(UK)

22


20

1983

Texaco

Schwedeneck A*

CGS Monotower

25 m

North Sea (D)

DORIS/IMS

21

1983

Texaco

Schwedeneck B*

CGS Monotower

16 m

North Sea (D)

DORIS/IMS

22

1984

Mobil

Statfjord C

Condeep 4 shafts

145 m

North Sea (N)

NC/Olac Olsen

23

1984

Global Marine

Super CIDS

CGS caisson, Island

16 m

Beaufort Sea

24

1986

Statoil

Gullfaks A

Condeep 4 shafts

135 m

North Sea (N)

NC/Olav Olsen

25

1987

Statoil

Gullfaks B

Condeep 3 shafts

141 m

North Sea (N)

NC/Olav Olsen

26

1988

Norsk Hydro]

Oseberg A

Condeep 4 shafts

109 m

North Sea (N)

NC/Olav Olsen

27

1989

Statoil

Gullfaks C

Condeep 4 shafts

216 m

North Sea (N)

NC/olav Olsen

28

1989

Hamilton Bros

N. Ravenspurn

CGS 3 shafts

42 m

North Sea
(UK)

Arup

29

1989

Phillips

Ekofisk P.B

CGS Protection Ring

75 m

North Sea (N)

DORIS

30

1996

Elf Congo

N'Kossa

Concrete Barge

170 m

Congo

BOS/Bouygues

31

1993

Shell

NAM F3-FB

CGS 3 shafts

43 m

North Sea
(NL)

Hollandske
Bet.

23