Luận văn lý thuyết độ tin cậy

LỜI CẢM ƠNSau quá trình học tập được sự giúp đỡ vô cùng quý báu, tận tâm của các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thuỷ Lợi, các cán bộ, giảng viên Viện Đào tạo và Khoa học ứng dụng Miền

LỜI CẢM ƠN

Sau quá trình học tập được sự giúp đỡ vô cùng quý báu, tận tâm của các thầy giáo, cô giáo trường Đại học Thuỷ Lợi, các cán bộ, giảng viên Viện Đào tạo và Khoa học ứng dụng Miền Trung, bạn bè đồng nghiệp cùng với sự nỗ lực cố gắng học tập, tìm tòi, nghiên cứu của bản thân, tôi đã hoàn thành luận văn thạc sĩ chuyên

ngành Xây dựng công trình thủy với đề tài: “Áp dụng lý thuyết độ tin cậy vào kiểm định chất lượng các kết cấu bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né, Bình Thuận”.

Nhân dịp này tôi xin bày tỏ sự cảm ơn trân trọng tới lãnh đạo trường Đại học Thủy Lợi, Viện Đào tạo và Khoa học ứng dụng Miền Trung, Phòng Đào tạo đại học

và sau đại học, khoa Công trình và các thầy cô tham gia giảng dạy khóa học đã tạo điều kiện thuận lợi để tôi có thể hoàn thành khóa học và luận văn của mình

Đặc biệt tôi xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc tới thầy giáo PGS.TS Nguyễn Quang Hùng, người đã trực tiếp hướng dẫn, chỉ bảo giúp đỡ tận tình trong suốt thời gian thực hiện luận văn Tôi cũng vô cùng biết ơn thầy giáo GS.TS Nguyễn Văn Mạo đã cung cấp các thông tin khoa học và có những góp ý quý báu giúp tôi thực hiện tốt hơn nội dung luận văn của mình

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn tới gia đình, bạn bè, đồng nghiệp những người đã khích lệ, động viên và giúp đỡ cho tôi trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu vừa qua

Do hạn chế về thời gian, kinh nghiệm thực tế còn ít và những kiến thức về một lĩnh vực khoa học mới còn chưa sâu nên luận văn không thể tránh khỏi những thiếu sót Tôi rất mong nhận được các ý kiến đóng góp cũng như chỉ bảo tận tình của các thầy cô giáo và bạn bè đồng nghiệp để luận văn được hoàn thiện hơn

Ninh Thuận, tháng 11 năm 2014

Tác giả luận văn

HOÀNG MINH KHANH

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

hình vẽ… lấy từ nguồn khác đều được trích dẫn nguồn đầy đủ theo quy định Nếu

có gì sai trái tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm theo quy định của nhà trường

Tác giả luận văn

HOÀNG MINH KHANH

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

PHẦN MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1 3

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN BẢO VỆ BỜ BIỂN HÀM TIẾN – MŨI NÉ 3

1.2.1 Đặc điểm chung 4

1.2.2 Đặc điểm địa hình, địa chất 5

1.2.3 Đặc điểm địa chất thủy văn 6

1.2.4 Đặc điểm thủy, hải văn 6

1.3.1 Các dự án và đặc điểm kết cấu kè bảo vệ bờ đã thực hiện tại bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né 6

1.3.2 Đặc điểm kết cấu MLGBT liên kết ma sát 10

1.3.3 Các phân tích kết cấu và ổn định MLGBT đã và đang thực hiện ở Việt Nam 11

1.4.1 Khảo sát hiện trạng 12

1.4.2 Hiện trạng đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né và các dự án 16

1.4.3 Kết quả khảo sát, đo đạc hiện trạng các dự án 17

1.4.4 Đánh giá hiện trạng ba dự án theo một số tiêu chí bền vững của kết cấu 17

CHƯƠNG 2 20

PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY VÀ BÀI TOÁN MẪU DÙNG TRONG LUẬN VĂN 20

2.1.1 Con đường hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1] 20

2.1.2 Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới [1] 20

2.1.3 Tình hình ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên để đánh giá an toàn đê kè biển ở Việt Nam 21

2.1.4 Cách tiếp cận của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1] 21

2.1.5 Ưu điểm và các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên .22

2.1.6 Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên 23

2.1.6.1 Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên [4] 23

2.1.6.2 Cơ sở lý thuyết của thiết kế ngẫu nhiên [5] 30

2.2.1 Nội dung phương pháp tính công trình theo lý thuyết độ tin cậy [2] 31

2.2.2 Bài toán thiết kế xác suất mức độ 2 [5] 33

2.2.2.1 Các giả thiết: 33

2.2.2.2 Các bước thực hiện bài toán 33

2.2.3 Tính độ tin cậy của hệ thống [2] 35

2.3.1 Đặt vấn đề 35

2.3.2 Các loại cấu kiện và hệ thống kết cấu mảng liên kết ma sát [3] 36

2.3.3 Một cách xác định độ tin cậy an toàn của MLGBT liên kết ma sát [3] 38

CHƯƠNG 3 44

TÍNH XÁC SUẤT AN TOÀN CỦA CƠ CHẾ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN 44

CHƯƠNG 4 50

TÍNH ĐỘ TIN CẬY AN TOÀN CỦA KẾT CẤU MẢNG KÈ LẮP GHÉP BẰNG CẤU KIỆN BÊ TÔNG ĐÚC SẲN THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN 50

4.5.1 Bài toán tính xác suất theo cấp độ 2 51

4.5.1.1 Thứ tự thực hiện bài toán tính xác suất theo cấp độ 2 51

4.5.1.2 Phần mềm tính toán 52

4.5.2 Tính xác suất hư hỏng và độ tin cậy của cấu kiện mái TSC-178 theo công thức đẩy nổi (β2; P(Z2)) 53

4.5.2.1 Hàm tin cậy 53

4.5.2.2 Số liệu thống kê của các biến ngẫu nhiên 54

4.5.2.3 Xác định hàm mật độ xác suất của các chuỗi số liệu thống kê bằng phần mềm BESTFIT 56

4.5.2.4 Tính toán xác suất hư hỏng và độ tin cậy của các cấu kiện mái TSC-178 trong thân mảng theo cấp độ II bằng phần mềm VAP 58

4.5.3 Tính độ tin cậy của mảng kết cấu lắp ghép bằng cấu kiện bê tông đúc sẵn bảo vệ bờ 60

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHẦN PHỤ LỤC 67

Phụ lục 3.1: Số liệu tính toán ổn định chân kè theo mái dốc lấy từ Geoslope 67

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 1

3 Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng 1

4 Kết quả đạt được 2

CHƯƠNG 1 3

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN BẢO VỆ BỜ BIỂN HÀM TIẾN – MŨI NÉ 3

1.1 Tổng quan công trình kè - đê biển Bình Thuận 3

1.2 Đặc điểm của bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né 4

1.2.1 Đặc điểm chung 4

1.2.2 Đặc điểm địa hình, địa chất 5

1.2.3 Đặc điểm địa chất thủy văn 6

1.2.4 Đặc điểm thủy, hải văn 6

1.3 Giới thiệu tóm tắt các Dự án bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né 6

1.3.1 Các dự án và đặc điểm kết cấu kè bảo vệ bờ đã thực hiện tại bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né 6

Hình 1.1: Cấu kiện TSC-178 7

Hình 1.2: Mặt cắt điển hình kết cấu kè thuộc dự án ĐHTL 8

Hình 1.3: Kết cấu chân kè ống bê tông cốt thép đổ đầy đá hộc 8

Hình 1.4: Mặt cắt điển hình kết cấu kè thuộc dự án ANTIERO 9

Hình 1.5: Mặt cắt điển hình kết cấu kè thuộc dự án Bình Thuận 10

1.3.2 Đặc điểm kết cấu MLGBT liên kết ma sát 10

1.3.3 Các phân tích kết cấu và ổn định MLGBT đã và đang thực hiện ở Việt Nam 11

1.4 Hiện trạng các dự án 12

1.4.1 Khảo sát hiện trạng 12

Hình 1.6: Vị trí công trình trên bản đồ hành chính tỉnh Bình Thuận 13

Hình 1.7: Hình ảnh kết cấu kè thuộc dự án ĐHTL 13

Hình 1.8: Hình ảnh kết cấu kè thuộc dự án ANTIERO 14

Hình 1.9: Hình ảnh kết cấu kè thuộc dự án Bình Thuận 14

Hình 1.10: Kiểm tra cường độ bê tông cấu kiện bằng súng bật nẩy 15

Hình 1.11: Kiểm tra chuyển vị các cấu kiện 16

Hình 1.12: Đo kích thước cấu kiện xác định trọng lượng cấu kiện 16

1.4.2 Hiện trạng đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né và các dự án 16

1.4.3 Kết quả khảo sát, đo đạc hiện trạng các dự án 17

1.4.4 Đánh giá hiện trạng ba dự án theo một số tiêu chí bền vững của kết cấu 17

1.5 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn 19

1.6 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2 20

PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY VÀ BÀI TOÁN MẪU DÙNG TRONG LUẬN VĂN 20

2.1 Cơ sở lý thuyết dùng trong bài toán nghiên cứu 20

2.1.1 Con đường hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1] 20

2.1.2 Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới [1] 20

2.1.3 Tình hình ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên để đánh giá an toàn đê kè biển ở Việt Nam 21

2.1.4 Cách tiếp cận của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1] 21

2.1.5 Ưu điểm và các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên .22

2.1.6 Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên 23

Hình 2.1 Minh họa về trạng thái giới hạn Z = 0 30

2.2 Giới thiệu tóm tắt phương pháp tính độ tin cậy 31

2.2.1 Nội dung phương pháp tính công trình theo lý thuyết độ tin cậy [2] 31

Hình 2.2: Phân bố xác suất của hàm Z 31

2.2.2 Bài toán thiết kế xác suất mức độ 2 [5] 33

2.2.3 Tính độ tin cậy của hệ thống [2] 35

Hình 2.3: Ba loại mô hình hệ thống 35

2.3 Bài toán tính độ tin cậy của kết cấu mảng mềm từ cấu kiện bê tông lắp ghép bảo vệ mái dốc 35

2.3.1 Đặt vấn đề 35

2.3.2 Các loại cấu kiện và hệ thống kết cấu mảng liên kết ma sát [3] 36

Hình 2.4: Một số bản bê tông đúc sẵn lát độc lập trên kè mái 37

Hình 2.5: Một số cấu kiện bê tông đúc sẵn lắp ghép có cơ cấu tự chèn 37

2.3.3 Một cách xác định độ tin cậy an toàn của MLGBT liên kết ma sát [3] 38

Hình 2.6: Cấu tạo của một MLGBT 38

Hình 2.7: Cây sự cố MLGBT liên kết ma sát 39

Hình 2.8: Sơ đồ hệ thống MLGBT liên kết ma sát 41

2.4 Kết luận chương 2 42

CHƯƠNG 3 44

TÍNH XÁC SUẤT AN TOÀN CỦA CƠ CHẾ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN 44

3.1 Đặt vấn đề 44

3.2 Quan hệ giữa độ tin cậy với hệ số an toàn [3] 44

3.3 Tính hệ số ổn định của chân kè 45

Hình 3.1: Mặt cắt ngang chân kè trường hợp bất lợi 46

Hình 3.2: Cung trượt có hệ số an toàn nhỏ nhất 48

3.4 Xác định xác suất hư hỏng và độ tin cậy của kết cấu chân kè (β1; P(Z1)) thông qua hệ số an toàn K 48

3.4 Kết luận chương 3 49

CHƯƠNG 4 50

TÍNH ĐỘ TIN CẬY AN TOÀN CỦA KẾT CẤU MẢNG KÈ LẮP GHÉP BẰNG CẤU KIỆN BÊ TÔNG ĐÚC SẲN THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN 50

4.1 Đặt vấn đề 50

4.2 Nhận biết hệ thống 50

4.3 Hệ thống kết cấu 51

4.4 Sơ đồ hóa hệ thống 51

Hình 4.1: Sơ đồ hóa hệ thống 51

4.5 Tính độ tin cậy an toàn của hệ thống 51

4.5.1 Bài toán tính xác suất theo cấp độ 2 51

Hình 4.2: Sơ đồ thực hiện bài toán theo cấp độ 2 52

4.5.2 Tính xác suất hư hỏng và độ tin cậy của cấu kiện mái TSC-178 theo công thức đẩy nổi (β2; P(Z2)) 53

Hình 4.3: Hàm mật độ xác suất của trọng lượng cấu kiện mái kè 56

Hình 4.4: Hàm mật độ xác suất của chuỗi số liệu chiều cao sóng 57

Hình 4.5: Hàm mật độ xác suất của hệ số Kn 57

Hình 4.6: Hàm mật độ xác suất của trọng lượng riêng của bê tông (γbt) 57

Hình 4.7: Hàm mật độ xác suất của tỷ trọng ∆ 58

Hình 4.8: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định cấu kiện mái TSC-178 60

4.5.3 Tính độ tin cậy của mảng kết cấu lắp ghép bằng cấu kiện bê tông đúc sẵn bảo vệ bờ 60

Hình 4.9: Sơ đồ cây sự cố mảng cấu kiện bê tông lắp ghép bảo vệ bờ 61

Hình 4.10: Xác suất xảy ra sự cố của của mảng cấu kiện bê tông lắp ghép 62

4.6 Kết luận chương 4 62

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

5.1 Những kết quả đạt được 63

5.2 Tồn tại 64

5.3 Kiến nghị 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHẦN PHỤ LỤC 67

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 1

3 Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng 1

4 Kết quả đạt được 2

CHƯƠNG 1 3

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN BẢO VỆ BỜ BIỂN HÀM TIẾN – MŨI NÉ 3

1.1 Tổng quan công trình kè - đê biển Bình Thuận 3

1.2 Đặc điểm của bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né 4

1.2.1 Đặc điểm chung 4

1.2.2 Đặc điểm địa hình, địa chất 5

1.2.3 Đặc điểm địa chất thủy văn 6

1.2.4 Đặc điểm thủy, hải văn 6

1.3 Giới thiệu tóm tắt các Dự án bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né 6

1.3.1 Các dự án và đặc điểm kết cấu kè bảo vệ bờ đã thực hiện tại bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né 6

1.3.2 Đặc điểm kết cấu MLGBT liên kết ma sát 10

1.3.3 Các phân tích kết cấu và ổn định MLGBT đã và đang thực hiện ở Việt Nam 11

1.4 Hiện trạng các dự án 12

1.4.1 Khảo sát hiện trạng 12

1.4.2 Hiện trạng đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né và các dự án 16

1.4.3 Kết quả khảo sát, đo đạc hiện trạng các dự án 17

1.4.4 Đánh giá hiện trạng ba dự án theo một số tiêu chí bền vững của kết cấu 17

1.5 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn 19

1.6 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2 20

PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY VÀ BÀI TOÁN MẪU DÙNG TRONG LUẬN VĂN 20

2.1 Cơ sở lý thuyết dùng trong bài toán nghiên cứu 20

2.1.1 Con đường hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1] 20

2.1.2 Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới [1] 20

2.1.3 Tình hình ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên để đánh giá an toàn đê kè biển ở Việt Nam 21

2.1.4 Cách tiếp cận của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1] 21

2.1.5 Ưu điểm và các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên

22

2.1.6 Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên 23

2.2 Giới thiệu tóm tắt phương pháp tính độ tin cậy 31

2.2.1 Nội dung phương pháp tính công trình theo lý thuyết độ tin cậy [2] 31

2.2.2 Bài toán thiết kế xác suất mức độ 2 [5] 33

2.2.3 Tính độ tin cậy của hệ thống [2] 35

2.3 Bài toán tính độ tin cậy của kết cấu mảng mềm từ cấu kiện bê tông lắp ghép bảo vệ mái dốc 35

2.3.1 Đặt vấn đề 35

2.3.2 Các loại cấu kiện và hệ thống kết cấu mảng liên kết ma sát [3] 36

2.3.3 Một cách xác định độ tin cậy an toàn của MLGBT liên kết ma sát [3] 38

2.4 Kết luận chương 2 42

CHƯƠNG 3 44

TÍNH XÁC SUẤT AN TOÀN CỦA CƠ CHẾ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN 44

3.1 Đặt vấn đề 44

3.2 Quan hệ giữa độ tin cậy với hệ số an toàn [3] 44

3.3 Tính hệ số ổn định của chân kè 45

Bảng 3.1: Các chỉ tiêu cơ lý của cát nền 47

3.4 Xác định xác suất hư hỏng và độ tin cậy của kết cấu chân kè (β1; P(Z1)) thông qua hệ số an toàn K 48

Bảng 3.2: Giá trị sức chịu tải R và tải trọng N với cung trượt có Kmin 48

Bảng 3.3: Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định chân kè 49

3.4 Kết luận chương 3 49

CHƯƠNG 4 50

TÍNH ĐỘ TIN CẬY AN TOÀN CỦA KẾT CẤU MẢNG KÈ LẮP GHÉP BẰNG CẤU KIỆN BÊ TÔNG ĐÚC SẲN THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN 50

4.1 Đặt vấn đề 50

4.2 Nhận biết hệ thống 50

4.3 Hệ thống kết cấu 51

4.4 Sơ đồ hóa hệ thống 51

4.5 Tính độ tin cậy an toàn của hệ thống 51

4.5.1 Bài toán tính xác suất theo cấp độ 2 51

4.5.2 Tính xác suất hư hỏng và độ tin cậy của cấu kiện mái TSC-178 theo công thức đẩy nổi (β2; P(Z2)) 53

Bảng 4.1: Trọng lượng của các cấu kiện bất kỳ trong mảng 54

Bảng 4.2: Chuỗi số liệu thống kê chiều cao sóng (Hs) tại chân công trình 54

Bảng 4.3: Quan hệ giữa chiều cao sóng Hs và hệ số Kn của cấu kiện TSC-17855 Bảng 4.4: Chuỗi hệ số Kn ứng với các giá trị chiều cao sóng tính toán Hs 55

Bảng 4.5: Chuỗi số liệu thống kê trọng lượng riêng của bê tông tỷ trọng ∆ 56

Bảng 4.6: Các biến ngẫu nhiên của cơ chế mất ổn định cấu kiện mái kè 58

Bảng 4.7: Xác suất xảy ra sự cố của cơ chế mất ổn định cấu kiện mái TSC-178 58

Bảng 4.8: Ảnh hưởng của các biến ngẫu nhiên đến cơ chế mất ổn định của cấu kiện TSC-178 59

4.5.3 Tính độ tin cậy của mảng kết cấu lắp ghép bằng cấu kiện bê tông đúc sẵn bảo vệ bờ 60

Bảng 4.9: Tổng hợp xác suất xảy ra sự cố của mảng cấu kiện bê tông lắp ghép 61

4.6 Kết luận chương 4 62

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

5.1 Những kết quả đạt được 63

5.2 Tồn tại 64

5.3 Kiến nghị 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHẦN PHỤ LỤC 67

DANH MỤC CÁC PHỤ LỤC

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ VÀ ĐỒ THỊ v

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU ix

PHẦN MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu của đề tài 1

3 Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng 1

4 Kết quả đạt được 2

CHƯƠNG 1 3

GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN BẢO VỆ BỜ BIỂN HÀM TIẾN – MŨI NÉ 3

1.1 Tổng quan công trình kè - đê biển Bình Thuận 3

1.2 Đặc điểm của bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né 4

1.2.1 Đặc điểm chung 4

1.2.2 Đặc điểm địa hình, địa chất 5

1.2.3 Đặc điểm địa chất thủy văn 6

1.2.4 Đặc điểm thủy, hải văn 6

1.3 Giới thiệu tóm tắt các Dự án bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né 6

1.3.1 Các dự án và đặc điểm kết cấu kè bảo vệ bờ đã thực hiện tại bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né 6

1.3.2 Đặc điểm kết cấu MLGBT liên kết ma sát 10

1.3.3 Các phân tích kết cấu và ổn định MLGBT đã và đang thực hiện ở Việt Nam 11

1.4 Hiện trạng các dự án 12

1.4.1 Khảo sát hiện trạng 12

1.4.2 Hiện trạng đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né và các dự án 16

1.4.3 Kết quả khảo sát, đo đạc hiện trạng các dự án 17

1.4.4 Đánh giá hiện trạng ba dự án theo một số tiêu chí bền vững của kết cấu 17

1.5 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn 19

1.6 Kết luận chương 1 19

CHƯƠNG 2 20

PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY VÀ BÀI TOÁN MẪU DÙNG TRONG LUẬN

VĂN 20

2.1 Cơ sở lý thuyết dùng trong bài toán nghiên cứu 20

2.1.1 Con đường hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1] 20

2.1.2 Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới [1] 20

2.1.3 Tình hình ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên để đánh giá an toàn đê kè biển ở Việt Nam 21

2.1.4 Cách tiếp cận của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1] 21

2.1.5 Ưu điểm và các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên .22

2.1.6 Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên 23

2.2 Giới thiệu tóm tắt phương pháp tính độ tin cậy 31

2.2.1 Nội dung phương pháp tính công trình theo lý thuyết độ tin cậy [2] 31

2.2.2 Bài toán thiết kế xác suất mức độ 2 [5] 33

2.2.3 Tính độ tin cậy của hệ thống [2] 35

2.3 Bài toán tính độ tin cậy của kết cấu mảng mềm từ cấu kiện bê tông lắp ghép bảo vệ mái dốc 35

2.3.1 Đặt vấn đề 35

2.3.2 Các loại cấu kiện và hệ thống kết cấu mảng liên kết ma sát [3] 36

2.3.3 Một cách xác định độ tin cậy an toàn của MLGBT liên kết ma sát [3] 38

2.4 Kết luận chương 2 42

CHƯƠNG 3 44

TÍNH XÁC SUẤT AN TOÀN CỦA CƠ CHẾ ỔN ĐỊNH CHÂN KÈ THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN 44

3.1 Đặt vấn đề 44

3.2 Quan hệ giữa độ tin cậy với hệ số an toàn [3] 44

3.3 Tính hệ số ổn định của chân kè 45

3.4 Xác định xác suất hư hỏng và độ tin cậy của kết cấu chân kè (β1; P(Z1)) thông qua hệ số an toàn K 48

3.4 Kết luận chương 3 49

CHƯƠNG 4 50

TÍNH ĐỘ TIN CẬY AN TOÀN CỦA KẾT CẤU MẢNG KÈ LẮP GHÉP BẰNG CẤU KIỆN BÊ TÔNG ĐÚC SẲN THUỘC DỰ ÁN BÌNH THUẬN 50

4.1 Đặt vấn đề 50

4.2 Nhận biết hệ thống 50

4.3 Hệ thống kết cấu 51

4.4 Sơ đồ hóa hệ thống 51

4.5 Tính độ tin cậy an toàn của hệ thống 51

4.5.1 Bài toán tính xác suất theo cấp độ 2 51

4.5.2 Tính xác suất hư hỏng và độ tin cậy của cấu kiện mái TSC-178 theo công thức đẩy nổi (β2; P(Z2)) 53

4.5.3 Tính độ tin cậy của mảng kết cấu lắp ghép bằng cấu kiện bê tông đúc sẵn bảo vệ bờ 60

4.6 Kết luận chương 4 62

5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 63

5.1 Những kết quả đạt được 63

5.2 Tồn tại 64

5.3 Kiến nghị 65

TÀI LIỆU THAM KHẢO 66

PHẦN PHỤ LỤC 67

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Đoạn bờ biển Hàm Tiến - Mũi Né là một đoạn bờ biển trong vòng cung đường bờ Mũi Né Dây cung theo hướng Đông - Tây, từ Mũi Né đến mũi Can dài

10 km, R= 8,5 km

Bờ biển Hàm Tiến - Mũi Né có đường bờ loại đụn cát, bãi cát bị xói lở (tốc

độ 5÷10 m/năm) Đây là vùng kinh tế tổng hợp Nông – Lâm - Ngư nghiệp, du lịch, trong đó du lịch là trung tâm của Bình Thuận, nổi tiếng của cả nước Từ năm 1995 đến 2003 nhiều nghiên cứu ứng dụng tiến bộ khoa học, công nghệ và dự án đã được thực hiện nhằm khắc phục tình trạng xói lở đoạn đường bờ này Trong đó có nhiều

dự án thử nghiệm kết cấu mới Vì vậy hiện nay ở đoạn bờ biển này đã được bảo vệ bằng nhiều loại kết cấu khác nhau Các tham số tính toán điều kiện biên cũng như tính toán sự làm việc của các kết cấu ở đây là các tham số ngẫu nhiên Thực tế đòi hỏi cần có sự nghiên cứu tổng kết để phân tích rút ra ưu, nhược điểm và bài học kinh nghiệm của các loại kết cấu bằng kết quả tính toán định lượng, từ đó có sự đánh giá so sánh để có cơ sở khoa học tìm ra kết cấu phù hợp nhất

Phương pháp thiết kế dựa trên lý thuyết xác suất thống kê và độ tin cậy đã được áp dụng nhiều nơi trên thế giới như Mỹ, Hà Lan, Đây là phương pháp thiết

kế tổng hợp cho toàn thể hệ thống, thỏa mãn yêu cầu thực tiễn đòi hỏi hạn chế tối

đa những tồn tại của phương pháp thiết kế tất định Vì vậy, việc nghiên cứu ứng dụng lý thuyết xác suất thống kê và độ tin cậy để nâng cao độ chính xác của các nghiên cứu kết cấu bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né là xu thế phù hợp hiện nay

2 Mục tiêu của đề tài

Sử dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích độ tin cậy an toàn của kết cấu bảo vệ bờ Hàm Tiến – Mũi Né làm cơ sở khoa học cho bài toán kiểm định chất lượng kè mảng lắp ghép bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn (MLGBT)

3 Phương pháp nghiên cứu và công cụ sử dụng

Phương pháp phân tích thống kê

Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy.

4 Kết quả đạt được

Đánh giá được xác suất hư hỏng và độ tin cậy của từng cấu kiện và mảng kết cấu bằng bê tông lắp ghép bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né

- -CHƯƠNG 1GIỚI THIỆU CHUNG VỀ DỰ ÁN BẢO VỆ BỜ BIỂN HÀM

TIẾN – MŨI NÉ

1.1 Tổng quan công trình kè - đê biển Bình Thuận

Từ năm 1997 đến nay một số dự án bảo vệ bờ biển kiên cố bắt đầu được đầu

tư xây dựng nhằm ngăn chặn xói lở, Hòa Minh – Phan Rí cửa huyện Tuy Phong, Hàm Tiến – Mũi Né thành phố Phan Thiết và một số khu vực Về hình thức kết cấu thường có dạng mái nghiêng Mái kè gồm lớp vải địa kỹ thuật, đá dăm đệm và tấm

bê tông liên kết mảng mềm, chân khay là ống buy, bên trong bỏ đá hộc

Bên cạnh đó, cũng có những công trình được xây dựng từ nguồn vốn của các doanh nghiệp tư nhân như kè Sea Horse, kè The Beach, kè Terracotta

Các công trình đê – kè biển thuộc tỉnh Bình Thuận chủ yếu là các công trình trực tiếp biển và công trình ngăn cát giảm sóng tồn tại dưới các dạng sau:

(1) Đê kết hợp kè trực tiếp biển:

Đây là loại công trình vừa có chức năng chống xói lở bờ vừa có chức năng ngăn mặn, chống triều cường, sóng và nước dâng tương xứng với bão cấp 9 tràn qua

đê, bảo vệ an toàn cho khu dân cư, các khu sản xuất, canh tác nông nghiệp Khi xảy

ra bão lớn hơn cấp 9 cho phép sóng tràn qua nhưng không gây hư hỏng kè, thân đê

và mái đê phía hạ lưu

Loại công trình này được sử dụng ở những khu vực dân cư có cao độ tự nhiên thấp, chịu tác động trực tiếp của triều cường, nước dâng và sóng trong bão và các khu sản xuất, canh tác nông nghiệp

(2) Kè bảo vệ bờ biển

Đây là loại công trình có chức năng ngăn chặn hiện tượng xâm thực bờ biển, chống xói lở bờ, bảo vệ khu dân cư, khu du lịch đồng thời tạo cảnh quan cho các khu đô thị, khu du lịch Đối với loại công trình này phải đảm bảo ổn định trong điều kiện bão cấp 9 nhưng cho phép sóng tràn qua đỉnh kè

Loại công trình này áp dụng cho những khu dân cư có cao độ tự nhiên cao

hơn mực nước tổ hợp tính toán tương ứng với cấp công trình (bao gồm triều cường, sóng và nước dân tương ứng bão cấp 9), các khu du lịch biển và các khu sản xuất, canh tác.

(3) Đê ngăn cát, giảm sóng, ổn định cửa sông

Do đặc thù sông miền Trung nói chung và sông tỉnh Bình Thuận nói riêng có

độ dốc lớn, thời gian thoát lũ nhanh, vùng cửa thường có dải cồn cát cao che chắn nên thực tế không cần đê cửa sông Vì vậy có thể xem các công trình đê ngăn cát, giảm sóng, ổn định cửa sông, bảo vệ khu neo đậu tàu thuyền trú tránh bão là hình thức đê cửa sông Hiện nay tất cả các cửa sông của tỉnh Bình Thuận đã có công trình loại này Do vậy chỉ cần theo dõi, đánh giá thường xuyên hiệu quả của công trình để kịp thời có kế hoạch tu bổ

(4) Đê tự nhiên

Với chiều dài và quy mô lớn, các dải cồn cát ven biển Bình Thuận thực chất

là các tuyến đê tự nhiên và phải đưa chúng vào như một đối tượng cần xem xét trong quy hoạch, dưới đây có nêu một số biện pháp mang tính định hướng đối với dạng công trình này

1.2 Đặc điểm của bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né

1.2.1 Đặc điểm chung

Khu du lịch Hàm Tiến và thành phố Phan Thiết là một trong những khu vực

du lịch biển kết hợp nghỉ dưỡng mới hình thành nhưng được rất nhiều du khách trong nước và quốc tế biết đến Đây là một trong những khu vực “du lịch xanh” khá

lý tưởng, với những lợi thế về vị trí địa thế tự nhiên, điều kiện khí hậu, môi trường

và cảnh quan của khu vực mà cũng là điểm đến của “du lịch văn hóa – lễ hội”

Bờ biển Hàm tiến – Mũi né (HT-MN) là một phần bờ biển lõm dài 12 Km, chiếm gần 1/5 chiều dài bờ biển Phan thiết Trên bờ là các diểm dân cư xen kẽ các dịch vụ du lịch trong những vườn dừa trồng trên bãi cát Men theo dọc bờ là đường giao thông nối liền thành phố Phan thiết với Mũi Né Có nơi mép đường chỉ cách mép bờ 4- 5 m Sát bờ phía Tây của Mũi Né là nơi đậu thuyền của ngư dân Hàng năm ở đây khai thác trung bình khoảng hơn 10.000 tấn hải sản phục vụ cho nhu cầu

chế biến và xuất khẩu Nơi này được đánh giá là nơi có cảnh quan và điều kiện phát triển có hạng của ngành du lịch, đồng thời là nơi cung cấp nhiều đặc hải sản của Phan Thiết

Đoạn bờ biển HT-MN thuộc loại bờ đụn cát, bãi cát bị xói lở Vào những năm 90 của thế kỉ XX, tốc dộ xâm thực khoảng 5-10 m/năm đã ảnh hưởng xấu đến hoạt động kinh tế xã hội trong vùng Đến nay, tỉnh Bình Thuận đã thực hiện một số biện pháp chống xói để bảo vệ đoạn bờ biển này do đó tình hình xói lở bờ biển đã được cải thiện

1.2.2 Đặc điểm địa hình, địa chất

Chạy sát bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né là những cồn cát cao như những dãy núi Các cồn cát này chủ yếu do gió thổi cát từ biển vào Trên các cồn cát cổ có màu

đỏ đã có cây cỏ mọc Những cồn cát trắng và vàng có tuổi thọ trẻ hơn đang trong thời kỳ phát triển và chưa ổn định Vùng cồn cát, bãi cát ven biển chiếm khoảng 85,6% diện tích tự nhiên, có địa hình tương đối cao, độ dốc 80 ÷ 150 đôi chổ dốc tới

250 ÷ 300

Cao độ trên các bãi dừa dọc bờ biển trung bình +3 đến +3,5 Sát bờ là đoạn dốc đứng có chiều cao 1÷3 m, sau đó là bãi cát soải dần ra phía biển với độ dốc trung bình m = 8÷10 Chân dốc cách bờ 30÷40m là sườn dốc tạo thành lạch sâu, ra ngoài xa hơn nữa cách bờ 70÷100 m ít dốc hơn tạo thành dải cát nông chày song song với bờ

Cấu tạo địa chất nền gồm các lớp như sau:

- Lớp 1: Phân bố trên bề mặt có bề dày thay đổi từ 3,5÷5m, chủ yếu là cát hạt trung màu xám vàng, xám trắng, trạng thái ẩm nhiều đến bảo hòa nước, thuộc loại kém chặt Thành phần gồm cát hạt do 41,3%, cát vừa 57,9%, cát nhỏ 0,8%, n = 44,2%, γtn = 1,78 T/m3, γk = 1,48 T/m3, γbh = 1,92 T/m3, γdn = 0,92 T/m3, φk = 280, φbh

= 24049’, Cbh = 0,2 T/m2

- Lớp 2: Nằm dưới lớp 1 có bề dày thay đổi từ 1÷4m, chủ yếu là vỏ sò lẫn cát vàng mịn đến trung, γ = 1,41 T/m3, φ = 240, C = 0,1 T/m2

- Lớp 3: Dưới lớp 2 là cát mịn xám đen, γtn = 1,47 T/m3, φ = 250, C = 0,2 T/m2

1.2.3 Đặc điểm địa chất thủy văn

Nước dưới đất nằm ở độ sâu so với mặt đất tự nhiên từ 0,5 – 1,0 m Nước ngầm trong khu vực khảo sát thuộc loại nước không áp, lưu lượng trung bình; nước không có màu có thể sử dụng trong sinh hoạt Nước ngầm tương đối ổn định do nước từ trên đồi cát bổ sung thường xuyên về phía biển

1.2.4 Đặc điểm thủy, hải văn

Các đặc trưng khí tượng, thủy, hải văn đã được lựa chọn làm chỉ tiêu tính toán thiết kế trong các dự án kè bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né:

- Mực nước đỉnh triều cao nhất: Zmax20% = 1,05 m

- Mực nước chân triều: Zmin20% = -1,41 m

- Mực nước có thời gian duy trì lâu trong 15 – 16 giờ là : ±0,4 m

- Độ cao nước dềnh do gió là: 2,2 m

- Độ cao nước rút do gió là: 0,7 m

- Kích thước sóng tại bờ khi có bão cấp 9 (V=2,5m/s) là :

+ Chiều cao sóng hs = 2,5m

+ Bước sóng: λ = 35 m

+ Chu kỳ sóng là: τ = 5s

1.3 Giới thiệu tóm tắt các Dự án bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né

1.3.1 Các dự án và đặc điểm kết cấu kè bảo vệ bờ đã thực hiện tại bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né

Từ năm 1997 đến nay, đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né đã có nhiều dự án

kè bảo vệ bờ đã được xây dựng với nhiều loại kết cấu khác nhau, bao gồm những kết cấu truyền thống như kè đá, các kết cấu mới TSC-178 Trong đó có 03 dự án đã

có ứng dụng các tiến bộ khoa học và kết cấu được nghiên cứu cải tiến của Việt Nam:

(1) Dự án kè bảo vệ chống xói từ K8 + 735 đến K9 + 405 (Dự án ĐHTL):

Dự án này do Trung tâm Khoa học và Triển khai kĩ thuật thủy lợi, trường Đại học Thủy lợi thiết kế, công ty Cổ phần xây dựng phát triển hạ tầng Bình Thuận thi công trong thời kì chống xói khẩn cấp trước 1999

Kết cấu vỏ kè ở dự án này là mảng lắp ghép bằng những cấu kiện bê tơng đúc sẵn liên kết ma sát TSC-178 (hình 1.1), chân kè là hai hàng ống bê tơng, tiết diện trịn, trong là đá hộc, tường đỉnh kè xây bằng đá cao 0,30 m.

Hình 1.1: Cấu kiện TSC-178

Đặc điểm kết cấu mặt cắt kè: Đỉnh kè bằng tường đá xây rộng 1,50 m, cao 60

cm, cĩ bố trí gờ ở cao trình +3,80 m, mái kè được bảo vệ bằng mảng mềm TSC –

178 đặt trên lớp hỗn hợp dăm sạn dày 15 cm, bên dưới là lớp vải lọc POLYFELT TS–55 từ cao trình +3,50 m đến cao trình đỉnh chân kè –0,50 m với mái dốc m = 4 Chân kè được làm bằng hai hai hàng ống buy so le nhau đường kính 1,5 m, chiều cao ống 1,50 m đặc so le trong bỏ đá hộc khơng phân loại, cao trình đỉnh ống buy trong ở cao trình –0,5 m đáy ống được chơn sâu đến cao trình –2,50 m

Cấu kiện bê tông P.Đ.TAC-178 D = 25 cm Đá dăm 2x3x4 dày 15 cm đầm chặt Vải lọc TS-550

Đất cát đầm bằng nước

20

30

50

Đá xây vữa M.100

Đá đệm 2x3x4 dày 20 cm

Đá dăm dày 20 cm Bè đệm chống lún Vải lọc TS-550 Cát hạt thô Vải lọc TS-550

Mực nước max +1.05

-1.0

0.0

-0.5 -1.50

m = 4.0

Hình 1.2: Mặt cắt điển hình kết cấu kè thuộc dự án ĐHTL

(2) Dự án thử nghiệm ANTIERO Việt – Bỉ (Dự án ANTIERO):

Tiểu dự án thử nghiệm này do trung tâm Triển khai kĩ thuật thủy lợi, trường Đại học Thủy lợi thiết kế, công ty Cổ phần xây dựng phát triển hạ tầng Bình Thuận thi công (2001 - 2003) bảo vệ bờ từ K9 + 560 đến K9 + 860 Đỉnh

kè được làm bằng tường bê tông trọng lực không cốt thép, có bố trí các bậc lên xuống nhằm đáp ứng yêu cầu tắm biển của du khách Kết cấu vỏ kè cũng là mảng lắp ghép bằng những cấu kiện bê tông đúc sẵn liên kết ma sát, các cấu kiện thuộc kiểu TSC–178 nhưng có cải tiến ở bề mặt không bố trí mố nhám trên mảng dày

24 cm để giảm mức độ xâm thực, thân mảng được bố trí dốc hơn m = 2,5 (mcũ = 4) Chân kè là hai hàng ống bê tông có tiết diện lục giác, trong bỏ đá hộc, kiểu

KC - HWRU – 2001 (hình 1.3) Đường kính ống buy 1,5 m, chiều cao ống 1,5 m đặc so le trong bỏ đá hộc không phân loại, đỉnh hàng ống thứ nhất tiếp giáp với mái kè ở cao độ -1,0 m, đỉnh hàng ống tiếp theo ở cao độ -1,60 m (thấp hơn hàng ống thứ nhất 0,6 m), đáy ống buy ngoài được chôn sâu đến cao trình –3,10 m

a) b)

Hình 1.3: Kết cấu chân kè ống bê tông cốt thép đổ đầy đá hộc

a) Hai hàng ống bê tông cốt thép mặt cắt ngang hình tròn

b) Hai hàng ống bê tông cốt thép mặt cắt ngang hình lục giác, KC- HWRU – 2001

Hình 1.4: Mặt cắt điển hình kết cấu kè thuộc dự án ANTIERO

(3) Dự án kè bảo vệ bờ K12 + 200 đến K14 + 200 (Dự án Bình Thuận):

Dự án này do đơn vị tư vấn Bình Thuận thiết kế và thi công Đỉnh kè bằng bê tông, cao trình đỉnh kè +2,50 m Kết cấu vỏ kè ở dự án này là mảng lắp ghép bằng những cấu kiện bê tông đúc sẵn liên kết ma sát TSC-178 bằng bêtông M200 có chiều dày D = 25 cm từ cao trình +2,5 đến cao trình -1,0, hệ số mái kè m = 4,0 Chân khay kè áp dụng công nghệ mới là KC-HWRU-2001 bằng hai hàng ống buy

có hình lục giác đặt so le nhau, đường kính trong 1,2 m, đường kính ngoài 1,5 m, chiều dày ống buy 12 cm, chiều cao ống buy H=1,5 m, bên trong bỏ đá hộc không phân loại có đường kính D>=30cm, đỉnh hàng ống thứ nhất tiếp giáp với mái kè ở cao độ -1,0 m, đỉnh hàng ống tiếp theo ở cao độ -1,60 m (thấp hơn hàng ống thứ nhất 0,6 m), đáy ống buy ngoài được chôn sâu đến cao trình –3,10m

Từ cao trình +2,5 đỉnh kè lên đến cao trình mặt đất tự nhiên: Phần mái dốc được gia cố bảo vệ bằng đá xây để bảo vệ mái bờ không bị phá hỏng do thoát nước mưa và sạt lở do tải trọng

Hình 1.5: Mặt cắt điển hình kết cấu kè thuộc dự án Bình Thuận

 Thông số kỹ thuật cấu kiện TSC-178:

Cấu kiện bê tông đúc sẵn có ký hiệu TSC-178 được chọn để lát mái sử dụng trong dự án có kích thước:

- Chiều dày cấu kiện: D = 25 cm

- Trọng lượng cấu kiện: G = 105 kg

1.3.2 Đặc điểm kết cấu MLGBT liên kết ma sát

Kè bảo vệ mái dốc bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn liên kết ma sát là một loại kết cấu “linh hoạt” dễ biến dạng theo nền Mức độ linh hoạt của kết cấu càng cao thì khả năng duy trì ổn định của hệ thống kết cấu càng tốt

Ở Việt Nam, các cấu kiện được dùng trong các kết cấu bảo vệ mái đê, mái

đập, bờ biển thường là các khối bê tông lập phương, các tấm bê tông hình chữ nhật hoặc các khối lục lăng… Sự ổn định của kết cấu phụ thuộc vào sự liên kết giữa các cấu kiện Các cấu kiện liên kết với nhau càng chặt chẽ thì lực ma sát giữa chúng càng lớn, càng có lợi về mặt ổn định cho kết cấu.

Kè bảo vệ mái dốc lắp ghép bằng các cấu kiện bê tông đúc sẵn thường được chia ra thành các mảng độc lập Giới hạn trên của mảng là đỉnh kè, giới hạn dưới là chân kè, giới hạn bên là các mảng tiếp theo hoặc bờ Về mặt cơ học, các mảng kết cấu này làm việc theo nguyên lý tương tác giữa ba môi trường nước – nền – công trình

1.3.3 Các phân tích kết cấu và ổn định MLGBT đã và đang thực hiện ở Việt Nam

MLGBT liên kết ma sát có thể bị mất ổn định tổng thể như bị lún không đều, bị trượt theo mặt tiếp xúc với mái dốc hoặc bị trượt theo khối trượt của mái dốc do tác động từ các lực phát sinh từ môi trường nước như lực thủy tĩnh, lực sóng…và các lực phát sinh từ điều kiện địa kĩ thuật của môi trường đất như áp lực thấm, áp lực nước đẩy nổi … Hiện nay các phân tích kết cấu và ổn định MLGBT được tiến hành qua thí nghiệm và sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn

Kết quả nghiên cứu thí nghiệm MLGBT liên kết ma sát trong máng sóng

và mô phỏng sự làm việc của mảng trên mô hình cơ học trong các phòng thí nghiệm của viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam và trường Đại học Thủy lợi năm

1995, cũng như theo dõi sự làm việc của mảng ở ngoài hiện trường cho thấy: khi một cấu kiện trong mảng bị tách rời ra khỏi mảng hoặc các kết cấu ở biên bị mất

ổn định, nếu không khắc phục kip thời mảng sẽ bị sóng phá hoại hoàn toàn Vì vậy hiện nay trong các tính toán ổn định MLGBT liên kết ma sát lấy giới hạn liên kết của các cấu kiện trong mảng và giới hạn liên kết các kết cấu ở các biên làm tiêu chuẩn phá hoại của mảng.[3]

Phân tich kết cấu MLGBT liên kết ma sát dựa trên cơ sở xem mảng là kết cấu trên nền Sử dụng sơ đồ dầm trên nền đàn hồi để tính mảng theo các bài toán

phẳng Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, trong sơ đồ dầm trên nền đàn hồi thay thế các vị trí tiếp xúc bằng những phần tử ảo, kết quả tính toán gần đúng với quy luật phá hoại mảng trong mô hình thí nghiệm Phân tích này cũng được xem như là một phân tích gần đúng có thể tham khảo trong các thiết kế [3]

Trong các tính toán thiết kế MLGBT liên kết ma sát hiện nay được dựa trên điều kiện ổn định đẩy nổi của các cấu kiện và ổn định của các kết cấu ở biên

để quyết định điều kiện ổn định của mảng Hay nói một cách khác các tính toán đang được thực hiện theo mô hình thiết kế truyền thống Do đó để tiếp cận bài toán kiểm định chất lượng công trình mà đáp ứng được trình độ khoa học trong

mô hình thiết kế hiện đại thì ở đây sử dụng lý thuyết độ tin cậy

1.4 Hiện trạng các dự án

1.4.1 Khảo sát hiện trạng

Việc đề xuất nhiệm vụ, bài toán cụ thể trong luận văn được thực hiện thông qua quá trình khảo sát, đo đạc hiện trạng, đặc điểm làm việc của các kết cấu của 03 dự án: Dự án ĐHTL, dự án ANTIERO và dự án Bình Thuận

Nội dung khảo sát hiện trạng được nhóm khảo sát thực hiện bao gồm:

1) Quan sát tổng thể đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né và các dự án thuộc phạm vi nghiên cứu:

- Quan sát hiện trạng tổng thể toàn bộ khu vực bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né

- Quan sát hiện trạng 03 dự án

Hình 1.6: Vị trí công trình trên bản đồ hành chính tỉnh Bình Thuận

Hình 1.7: Hình ảnh kết cấu kè thuộc dự án ĐHTL

ĐOẠN HÀM TIẾN - MŨI NÉ

Hình 1.8: Hình ảnh kết cấu kè thuộc dự án ANTIERO

Hình 1.9: Hình ảnh kết cấu kè thuộc dự án Bình Thuận

2) Đo đạc các chỉ tiêu phục vụ việc đánh giá, tính toán kiểm định:

Các số liệu thống kê đo đạc phục vụ tính toán độ tin cậy và xác suất an toàn của kết cấu mảng mềm là các biến ngẫu nhiên Do vậy quá trình khảo sát đo đạc được thực hiện trên các cấu kiện bất kỳ thuộc cùng 1

mảng kết cấu

- Đo đạc xác định trọng lượng (G) các cấu kiện: Trọng lượng của các cấu kiện được xác định thông qua việc đo kích thước cấu kiện và đánh giá tương đối phần trăm trọng lượng cấu kiện bị giảm so với trọng lượng ban đầu

- Đo cường độ bê tông (Rbt) của các cấu kiện bằng súng bật nảy

- Đo chuyển vị giữa các cấu kiện bê tông

Hình 1.10: Kiểm tra cường độ bê tông cấu kiện bằng súng bật nẩy

Hình 1.11: Kiểm tra chuyển vị các cấu kiện

Hình 1.12: Đo kích thước cấu kiện xác định trọng lượng cấu kiện

1.4.2 Hiện trạng đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né và các dự án

Đoạn bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né hiện có nhiều dự án kè bảo vệ bờ đã được xây dựng với nhiều loại kết cấu khác nhau, bao gồm những kết cấu truyền thống

cũng như các kết cấu mới TSC-178, KC-HWRU-2001 Ngoài các công trình do nhà nước đầu tư thì còn có các công trình doanh nghiêp tư nhân xây dựng Tuy nhiên việc đầu tư xây dựng kè bảo vệ bờ biển chưa đảm bảo theo chiều dài tuyến, không liên tục và đồng bộ.

Nhìn chung các dự án bảo vệ bờ biển trong đó có ba dự án: dự án ĐHTL, dự

án ANTIERO, dự án Bình Thuận đã được xây dựng đều ổn định, các giải pháp kỹ thuật phù hợp với mục tiêu nhiệm vụ (bảo vệ bờ, phục vụ sản xuất thủy sản, du lịch ) phát huy hiệu quả đầu tư, giữ được đất, người dân an tâm sinh sống làm ăn, tạo điều kiện phát triển kinh tế, xã hội của địa phương

Đối với các đoạn bờ thuộc ba dự án nói trên trước đây quá trình xói lở, xâm lấn của biển diễn ra mạnh mẽ, tuy nhiên sau khi được đầu tư xây dựng thì hiện nay hiện tượng xói lở của các đoạn kè đã được kiểm soát ổn định, hiện tượng sạt lở, xâm lấn của biển hằng năm đã không còn

1.4.3 Kết quả khảo sát, đo đạc hiện trạng các dự án

Quá trình khảo sát, đo đạc xác định các số liệu thống kê để phục vụ cho việc tính toán độ tin cậy và hệ số an toàn của kết cấu mảng mềm bảo vệ mái dốc đối với

ba dự án đòi hỏi phải đầy đủ tham số điều kiện biên của đỉnh kè, thân kè và chân kè Tuy nhiên tại thời điểm khảo sát chỉ thực hiện được công tác đo đạc các số liệu thống kê đối với các cấu kiện thuộc thân kè và đỉnh kè của hai dự án là: dự án ĐHTL và dự án Bình Thuận

Đối với kết cấu chân kè của hai dự án ĐHTL và dự án Bình Thuận cùng với toàn bộ kết cấu thân kè và chân kè của dự án ANTIERO không thể tiến hành đo đạc

do hầu hết đã bị che khuất dưới cát và nước biển Trong quá trình khảo sát chỉ quan sát được một vài vị trí chân kè của dự án ĐHTL và dự án Bình Thuận ở một số thời điểm nhất định khi mực nước xuống thấp Kết quả quan sát kết hợp với điều tra cho thấy có một vài vị trí chân kè xuất hiện hiện tượng bị xói phần đất phía ngoài ống buy có thể gây mất ổn định cho chân kè

1.4.4 Đánh giá hiện trạng ba dự án theo một số tiêu chí bền vững của kết cấu

Các tiêu chí định tính được đánh giá, nhận xét trên cơ sở kết quả quan sát, đo

đạc hiện trạng dự án.

(1) Tiêu chí về biến dạng theo nền: Nhìn chung kết cấu mảng có sự biến dạng lún đều theo nền, độ võng của các vị trí biến dạng khác nhau rất ít, (2) Tiêu chí về liên kết vững chắc của các phần tử (các cấu kiện): Các cấu kiện có sự xê dịch về vị trí nhưng ở mức độ rất nhỏ, chỉ khoảng 0,5 ÷ 1cm và vẫn nằm trong phạm vi cho phép theo chỉ tiêu thiết kế, các cấu kiện đảm bảo sự đan cài vào nhau, không có phần tử nào bị mất liên kết

và bung rời khỏi mảng Do vậy hiện tại kết cấu mảng vẫn đảm bảo được

sự liên kết vững chắc

(3) Tiêu chí về bảo toàn tính nguyên vẹn của mảng: Các kết cấu biên trên (đỉnh kè), kết cấu biên ngoài, thân mảng (cấu kiện kiểu TSC-178) và kết cấu chân kè vẫn được duy trình ổn định như thiết kế ban đầu

(4) Tiêu chí về xâm thực vật liệu: Theo quan sát thì các cấu kiện thuộc chân

kè, các kết cấu TSC178 đều chịu ảnh hưởng của xâm thực, gồm xâm thực do nước mặn và xâm thực do bào mòn Bề mặt vật liệu đã có hiện tượng bị tróc lỗ, làm giảm trọng lượng của cấu kiện do tác động của sóng biển, triều cưòng vỗ trực tiếp vào mái kè, và có mang theo một lượng cuội sỏi có thành phần cở hạt lớn gần bờ, tạo ma sát mạnh với bề mặt mái kè làm cho bê tông cấu kiện mãng mềm bị bào mòn nhanh chóng.(5) Tiêu chí về ổn định tổng thể mảng trên mái dốc: Về cơ bản toàn bộ mảng liên kết vẫn giữ được sự ổn định trên mái dốc, tuy nhiên một số vị trí chân kè ở dự án ĐHTL và dự án Bình Thuận theo quan sát có xuất hiện hiện tượng xói phần đất phía ngoài ống buy chân kè, có thể gây mất ổn định kết cấu

(6) Duy trì liên kết với các kết cấu khác để bảo vệ bờ: Nhìn chung toàn bộ kết cấu mảng mềm bảo vệ mái dốc và các kết cấu khác (kết cấu bảo vệ mái đất tự nhiên trân đỉnh kè, ) vẫn được duy trì thành một khối chỉnh thể.(7) Tiêu chí về độ giảm cường độ bê tông (Rbt): Qua số liệu đo đạc cho thấy cường độ bê tông có giảm nhưng không đáng kể

1.5 Nhiệm vụ và phạm vi nghiên cứu của luận văn

Các nghiên cứu áp dụng phương pháp tính theo hướng tiếp cận với mô hình thiết kế hiện đại trong tính toán công trình bao gồm cả tính toán phục vụ kiểm định chất lượng công trình là các nghiên cứu mang tính mới ở Việt Nam hiện nay

Để đáp ứng cho mục tiêu nghiên cứu “áp dụng lý thuyết độ tin cậy vào kiểm định chất lượng các kết cấu bảo vệ bờ biển Hàm Tiến – Mũi Né, Bình Thuận” luận văn thực hiện nhiệm vụ nghiên cứu cụ thể sau:

(1) Tính độ tin cậy an toàn của kết cấu chân kè theo phương pháp chuyển đổi

Trong các tính toán thiết kế cũng như tính toán của các nghiên cứu MLGBT chủ yếu sử dụng mô hình thiết kế truyền thống Luận văn áp dụng lý thuyết độ tin cậy để phân tích độ tin cậy an toàn của mảng làm cơ sở khoa học cho các tính toán kiểm định chất lượng kè MLGBT là một bước tiến bộ trong tính toán loại kè này ở Việt Nam

Việc tổ chức tính toán sẽ được thực hiện từ khâu khảo sát hiện trạng, thu thập, thống kê số liệu,…đến việc sử dụng bài toán mẫu ở mức độ xác suất ở cấp độ

II Vì vậy các kết quả nghiên cứu của luận văn sẽ có tính khả thi không chỉ đối với

kè Hàm Tiến – Mũi Né mà nó sẽ khả thi với các kè loại này ở Việt Nam

- -CHƯƠNG 2PHƯƠNG PHÁP ĐỘ TIN CẬY VÀ BÀI TOÁN MẪU DÙNG

TRONG LUẬN VĂN

2.1 Cơ sở lý thuyết dùng trong bài toán nghiên cứu

2.1.1 Con đường hình thành của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1]

Sự tiến triển logic của các phương pháp thiết kế công trình đã được tổng kết như sau Ban đầu chúng được tính theo các phương pháp tất định (theo ứng suất cho phép và hệ số an toàn), với tiền đề là tải trọng và độ bền tính toán đã được mặc định trong suốt quá trình làm việc của công trình Thực tế thì các hàm tải trọng và độ bền chịu tác động của rất nhiều yếu tố khác nhau, và biến đổi theo quy luật ngẫu nhiên

Vì vậy việc ấn định trước các giá trị tính toán của chúng trong suốt thời gian làm việc của công trình là chưa thoả đáng Bù lại, để tăng mức độ dự trữ an toàn, người

ta phải giảm bớt các trị số ứng suất cho phép, hay tăng hệ số an toàn cho phép lên Việc tăng hay giảm này không tránh khỏi yếu tố chủ quan

Sự chuyển sang phương pháp trạng thái giới hạn là một bước tiến trên con đường cải tiến các phương pháp thiết kế công trình Phương pháp trạng thái giới hạn thực chất là phương pháp bán ngẫu nhiên, ở đây các hệ số an toàn cục bộ (nc,

Kn, m, KVL) được xác định theo con đường xác suất thống kê

Bước tiến tiếp theo là việc chuyển sang các phương pháp ngẫu nhiên trong khuôn khổ lý thuyết độ tin cậy Lý thuyết này xét đến bản chất thay đổi thường xuyên của tải trọng và tác động, tính chất vật liệu, bản thân kết cấu và các điều kiện khai thác chúng

2.1.2 Lịch sử phát triển phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trên thế giới [1]

Những năm thập kỷ 60 và 70 của thế kỷ XX trên thế giới đã có những công trình công bố về ứng dụng lý thuyết độ tin cậy vào lĩnh vực kết cấu xây dựng Các khái niệm về “Xác suất đảm bảo không bị phá hoại” cũng như tính toán các xác suất này đã trở nên quen thuộc trong lĩnh vực kết cấu xây dựng

Những năm thập kỷ 70÷90 của thế kỷ XX xuất hiện hàng loạt các công trình

nghiên cứu độ tin cậy kết cấu xây dựng Các nghiên cứu tập trung vào xây dựng các phương pháp tính độ tin cậy có thể áp dụng được vào các bài toán kỹ thuật và phát triển các thiết kế tối ưu theo độ tin cậy Vấn đề này được phát triển cả ở Liên Xô (cũ) và cả ở các nước Âu, Mỹ.

Lý thuyết độ tin cậy cũng đã được ứng dụng vào lĩnh vực tính toán công trình thủy từ những năm thập kỷ 90 của thế kỷ XX Các thiết kế ngẫu nhiên và các thiết kế rủi ro được phát triển khá mạnh mẽ trong lĩnh vực công trình biển và công trình bảo vệ bờ

Ở nước ta, lý thuyết độ tin cậy cũng đã được xâm nhập vào từ những năm 60,

từ đó đến nay nó không ngừng được phát triển Đầu tiên là sự truyền bá lý thuyết bằng những sách dịch, bài giảng, giáo trình giảng dạy trong các trường đại học, tiếp đến là các công trình nghiên cứu trong khuôn khổ các luận văn thạc sĩ, luận án tiến

sĩ trong các ngành Giao thông, Kết cấu xây dựng, Công trình thủy, Đê và công trình bảo vệ bờ…Trong lĩnh vực kết cấu xây dựng đã có những quy định ban đầu về tính

độ tin cậy kết cấu So với thế giới ứng dụng lý thuyết này trong lĩnh vực công trình xây dựng của Việt nam đang còn là mới mẻ

2.1.3 Tình hình ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên để đánh giá an toàn đê kè biển ở Việt Nam

Hiện nay trên thế giới việc ứng dụng lí thuyết độ tin cậy và thiết kế ngẫu nhiên vào thiết kế công trình xây dựng nói chung và công trình thủy nói riêng trở thành xu thế chung và đang được phổ biến Ở Việt nam vấn đề này mới chỉ ở những bước đầu, hiện nay đang được phát triển mạnh mẽ Tuy nhiên đối với tính toán các công trình thủy các kết quả ứng dụng vẫn còn hạn chế Phần lớn các kết quả công

bố dưới dạng luận án tiến sĩ, luận văn thạc sĩ, các bài báo [5]

2.1.4 Cách tiếp cận của phương pháp thiết kế ngẫu nhiên [1]

Trong trường hợp tất cả các nguyên nhân xảy ra hư hỏng công trình có thể liệt kê và xác suất xảy ra hư hỏng đó có thể chắc chắn được xác định thì về nguyên tắc có thể xác định được xác suất xảy ra sự cố Vì vậy, hoàn toàn có thể đưa ra một phương pháp tiếp cận mới trong thiết kế công trình với ý tưởng “Cần xem xét về

mức độ có thể xây dựng tiêu chuẩn an toàn công trình căn cứ vào phân tích rủi ro cho tất cả các yếu tố liên quan” Đây là lý do cơ bản của sự phát triển phương pháp

“Thiết kế công trình theo lý thuyết ngẫu nhiên và phân tích độ tin cậy”

Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên là phương pháp thiết kế dựa trên cơ sở toán xác suất thống kê để phân tích tương tác giữa các biến ngẫu nhiên của tải trọng và của sức chịu tải trong các cơ chế phá hoại theo giới hạn làm việc của công trình Trong thiết kế ngẫu nhiên, tất cả các cơ chế phá hỏng được mô tả bởi mô hình toán hoặc mô hình mô phỏng tương ứng Tính toán xác suất phá hỏng của một bộ phận kết cấu hoặc của công trình được dựa trên hàm độ tin cậy của từng cơ chế phá hỏng

2.1.5 Ưu điểm và các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên

Hai phương pháp thiết kế dùng trong tính toán công trình thủy lợi, thủy điện trong đó có hồ đập hiện nay là: phương pháp thiết kế tất định và phương pháp thiết

Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên (TKNN) và phân tích rủi ro (PTRR) là một phương pháp thiết kế theo xu hướng hiện đại, đã được ứng dụng rộng rãi trong thiết

kế hệ thống kĩ thuật, nhưng việc áp dụng vào thiết kế các hệ thống phức tạp như hệ thống đê biển vẫn còn nhiều hạn chế

Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên được phát triển trên cơ sở của phương pháp thiết kế truyền thống (TKTT) So với TKTT, TKNN có những tiến bộ như sau:

- Tiến bộ hơn trong việc đánh giá sức chịu tải và tải trọng

- Hạn chế những khảo sát không cần thiết, đưa lại tiết kiệm về tài chính

- Cung cấp phương tiện cho duy trì bảo dưỡng và quản lý vận hành

Các cấp độ tiếp cận trong ứng dụng phương pháp thiết kế ngẫu nhiên được chia ra làm bốn cấp độ [4]:

• Cấp độ 0: Là phương pháp thiết kế tất định – phương pháp hệ số an toàn

Thiết kế dựa trên cơ sở các trạng thái trung bình, các trị trung bình và kèm theo hệ số an toàn thích hợp tương ứng với mỗi loại công trình;

• Cấp độ I: Là phương pháp thiết kế tất định – phương pháp trạng thái giới

hạn Đây còn gọi là phương pháp tiếp cận bán ngẫu nhiên Trong thiết kế sử dụng các 1 nhóm các hệ số an toàn cục bộ (nc, m, Kn,

n, KVL) để tăng giá trị của tải trọng và giảm giá trị của độ bền

• Cấp độ II: Là phương pháp thiết kế ngẫu nhiên Cấp độ này bao gồm một

số phương pháp gần đúng để biến đổi hàm phân phối xác suất sang dạng hàm phân phối chuẩn hay phân phối Gaussian Để xác định gần đúng các giá trị xác suất xảy ra sự cố, quá trình tuyến tính hóa toán học các phương trình liên quan cần được thực hiện

• Cấp độ III: Là phương pháp thiết kế ngẫu nhiên Theo cấp độ tiếp cận

này, các hàm phân phối xác suất của các biến ngẫu nhiên được xem xét hoàn toàn đúng với quy luật phân phối thực của chúng Trường hợp bài toán phi tuyến, vấn đề cũng sẽ được giải quyết theo phi tuyến

Vì tính phức tạp của những công trình xây dựng trong đó có đê biển, nên khả năng giải bài toán TKNN vẫn đang dừng ở mức độ 2

2.1.6 Phương pháp thiết kế ngẫu nhiên

2.1.6.1 Cơ sở toán học của phương pháp ngẫu nhiên [4]

a Tính toán mức độ I

Một cách tổng quát, hiện nay các thiết kế được dựa vào các tiêu chuẩn và

hướng dẫn thiết kế Trong đó các thông số độ bền được gia giảm bằng các hệ số đặc trưng, các thông số tải trọng được gia tăng bằng các hệ số tải trọng Thể hiện theo công thức 2.1

Sγγ

RS R

Trong đó: + R – Độ bền;

+ S – Tải trọng;

+ γR – Hệ số an toàn của độ bền;

+ γS – Hệ số an toàn của tải trọng

Các giá trị đặc trưng của thông số độ bền và tải trọng được tính theo công thức 2.2

S S S

R R RσkμS

σkμR+

=

+

=

(2.2)Một số sách hướng dẫn thiết kế gần đây đã liên kết tính toán theo biểu thức 2.1 với lí thuyết độ tin cậy để tính toán xác suất xảy ra sự cố ở mức độ II Sự kết hợp này được thể hiện trong định nghĩa điểm thiết kế “Điểm thiết kế là điểm nằm trong miền sự cố với mật độ xác suất kết hợp của độ bền và tải trọng là lớn nhất”

Vì vậy mà giá trị độ bền và tải trọng tại điểm sự cố gần với giá trị tại điểm thiết kế:

( S S)

S S S S

*

R R R R R R

*

βVα1μβσαμS

βVα1μβσαμR

+

=+

=

+

=+

S S

* S

R R

R R

* R

Vk1

βVα1S

Sγ

βVα1

Vk1R

Rγ

2 S

2 R

R R

σσ

σα

Tùy thuộc dạng hàm tin cậy và phân bố các biến ngẫu nhiên cơ bản mà các trường hợp tính toán cấp độ này bao gồm:

+ Trường hợp (1): Hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân bố chuẩn;

+ Trường hợp (2): Hàm tin cậy phi tuyến;

+ Trường hợp (3): Các biến cơ bản không phân bố chuẩn;

+ Trường hợp (4): Các biến ngẫu nhiên cơ sở phụ thuộc

* Trường hợp (1) - Hàm tin cậy tuyến tính với các biến ngẫu nhiên cơ bản phân bố

chuẩn

Trường hợp này việc tính toán xác suất xảy ra sự cố là đơn giản bằng cách sử dụng các giá trị kỳ vọng và độ lệch chuẩn của các biến cơ bản Trị số độ tin cậy được xác định theo biểu thức 2.6

Z

Zσ

μaμaμ

n1 21

X 1

∑∑

= n1 i

n

1

j i j i j

Z a a Cov(X ,X )σ

Các biến ngẫu nhiên cơ bản X1, X2, …, Xn tuân theo luật phân bố chuẩn thì Z cũng là hàm phân bố chuẩn Xác suất Z<0 được xác định thông qua hàm phân bố tiêu chuẩn: