TÍNH ĐỘ TIN CẬY AN TỒN CỦA KÈ BẢO VỆ MÁI DỐC LẮP GHÉP BẰNG CÁC CẤU KIỆN BÊ TÔNG ĐÚC SẴN Nguyễn Quang Hùng1, Nguyễn Văn Mạo1, Tóm tắt: Kè bảo vệ mái dốc lắp ghép cấu kiện bê tông đúc sẵn liên kết ma sát loại kết cấu linh hoạt dễ biến dạng theo dùng phổ biến để bảo vệ mái đê, mái đập, bờ sông, bờ biển Việt Nam Do đặc điểm cấu tạo chịu tác động nhiều yếu tố bất định tự nhiên nên hệ thống kết cấu làm việc phức tạp Các phân tích kết cấu theo thiết kế truyền thống gặp nhiều hạn chế việc mô tả điều kiện biên hạn chế mô hình thiết kế tất định Bài báo trình bầy kết nghiên cứu độ tin cậy an toàn loại kè bảo vệ mái dốc theo hướng tiếp cận với tốn phân tích hệ thống Bài báo tài liệu tham khảo cho thiết kế theo hướng khác phục hạn chế thiết kế truyền thống sử dụng loại kết cấu Việt Nam Từ khóa: kè bảo vệ mái dốc; Kết cấu linh hoạt; Độ tin cậy an toàn Đặt vấn đề1 Đã từ lâu, cấu kiện bê tông đúc sẵn sử dụng để thay vật liệu đá tự nhiên kết cấu kè chống sóng bảo vệ mái dốc đê, đập, bờ sông, bờ biển… Để giảm trọng lượng cấu kiện giảm thiểu chiều dầy kết cấu, cấu kiện liên kết lại với Hình thức liên kết cấu kiện với từ đơn giản đến phức tạp Các hình thức liên kết thường gặp liên kết tự chèn hay gọi liên kết ma sát, liên kết với móc sâu vào sợi dây chuỗi hạt… Kè cấu kiện bê tông đúc sẵn liên liên kết ma sát loại kết cấu “linh hoạt” dễ biến dạng theo nền, dùng phổ biến Việt Nam Hiện nhiều nước giới sử dụng mơ hình thiết kế xác suất để tính tốn cơng trình bảo vệ bờ Việt Nam thực tính tốn theo mơ hình thiết kế truyền thống Đây hạn chế lĩnh vực cơng trình bảo vệ bờ Viêt Nam cần sớm cải thiện Bài báo giới thiệu kết nghiên cứu phát triển mơ hình thiết kế theo xác suất vào tính tốn kè bảo vệ mái dốc [1][2][3] [4] [5] Các loại cấu kiện hệ thống kết cấu mảng liên kết ma sát Các cấu kiện dùng kết cấu chống sóng bảo vệ mái đê, mái đập, bờ sơng, bờ biển Việt Nam khối bê tông lập Đại học Thủy lợi phương, bê tông nhỏ hình chữ nhật khối lục lăng…Trong kết cấu, cấu kiện liên kết chặt chẽ với lực ma sát chúng lớn, có lợi mặt ổn định cho kết cấu Các nghiên cứu cải tiến xử lí mặt tiếp xúc cấu kiện cách vát xiên tạo gờ có quy luật, lắp ghép cấu kiện tự chèn khít vào nhau, lực ma sát cấu kiện tăng lên rõ rệt Các cấu kiện lắp ghép với tạo thành lớp phủ bề mặt mái dốc cần bảo vệ Trong kĩ thuật thủy lợi, lớp gọi lớp vỏ kè, kết cấu gọi kè bảo vệ mái dốc Kè bảo vệ mái dốc lắp ghép cấu kiện bê tông đúc sẵn thường chia thành mảng độc lập Kích thước mảng tùy thuộc vào quy mô kè Thông thường chiều rộng mảng lấy theo phương chiều dài đê đập từ 15- 20 m Chiều dài mảng lấy theo phương mái dốc Giới hạn mảng đỉnh kè, giới hạn chân kè, giới hạn bên mảng bờ Các cấu kiện mảng đặt tầng lọc ngược, biên trên, biên dưới, hai bên kết cấu liên kết chặt xuống mái dốc hình Mỗi mảng lắp ghép cấu kiện bê tông đúc sẵn (MLGBT) hệ kết cấu linh hoạt làm việc tương tác ba môi trường Nước – Đất – Cơng trình Mức độ linh hoạt kết cấu cao khả trì ổn định hệ thống kết cấu tốt [ 1] [2 ] [4 ] KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014) 37 Các phân tích kết cấu ổn định MLGBT thực Việt Nam Tải trọng tác động lên kè bảo vệ mái dốc bao gồm lực phát sinh từ môi trường nước lực thủy tĩnh, lực sóng…và lực phát sinh từ điều kiện địa kĩ thuật môi trường đất áp lực thấm, áp lực nước đẩy nổi… Cũng loại kết cấu bảo vệ mái dốc khác, MLGBT liên kết ma sát bị ổn định tổng thể bị lún không đều, bị trượt theo mặt tiếp xúc với mái dốc bị trượt theo khối trượt mái dốc Cơ chế phá hoại làm tách rời phần tử bao gồm cấu kiện thuộc mảng kết cấu biên dẫn đến MLGBT liên kết ma sát bị phá hoại có nhiều điểm khác so với loại kết cấu kè khác Giới hạn cấu kiện tách khỏi mảng nghiên cứu chi tiết, Cơ chế phá hoại tiêu chuẩn ổn định tùy thuộc vào loại cấu kiện loại liên kết cấu kiện mảng Kết nghiên cứu thí nghiệm MLGBT liên kết ma sát máng sóng mơ làm việc mảng mơ hình học phịng thí nghiệm Viện Khoa học thủy lợi Việt Nam trường Đại học Thủy lợi năm 1995, theo dõi làm việc mảng trường cho thấy: cấu kiện mảng bị tách rời khỏi mảng kết cấu biên bị ổn định, không khắc phục kip thời mảng bị sóng phá hoại hồn tồn Vì tính tốn ổn định MLGBT liên kết ma sát lấy giới hạn liên kết cấu kiện mảng giới hạn liên kết kết cấu biên làm tiêu chuẩn phá hoại mảng Trong tính tốn thiết kế nay, ổn định hầu hết loại cấu kiện thuộc MLGBT liên kết ma sát xét điều kiện cân đẩy Một số cấu kiện có cải tiến hình dạng nhằm tăng diện tích tiếp xúc, giới hạn phá hoại cịn vào độ lớn trình chuyển vị cấu kiện bị đẩy khỏi mảng Ổn định kết cấu biên đánh giá theo chế phá hoại kiểu kết cấu hình thức liên kết với mái dốc MLGBT liên kết ma sát kết cấu không gian phức tạp, không thuộc vào loại kết cấu truyền thống Ở Việt Nam có số phân tích kết cấu chọn loại kết cấu làm đối tượng nghiên cứu Phân tích kết cấu MLGBT liên kết ma sát dựa sở xem mảng kết cấu Sử dụng sơ đồ dầm đàn hồi để tính mảng theo tốn phẳng Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, sơ đồ dầm đàn hồi thay vị trí tiếp xúc phần tử ảo, kết tính tốn gần với quy luật phá hoại mảng mô hình thí nghiêm Phân tích xem phân tích gần tham khảo thiết kế Các tính tốn phần tử hữu hạn phần mềm SAMSEP sử dụng độ dài liên kết ma sát làm giới hạn liên kết cấu kiện Phân tích kết cấu MLGBT liên kết ma sát phần mềm ABAQS sử dụng phương pháp biến phân Penalty lấy thời điểm khơng cịn lực ma sát làm giới hạn phá hoại liên kết Cho mảng làm việc với sóng thiết kế, đến cấu kiện rời khỏi mảng, xác định độ dầy cần thiết cấu kiện (hình ) Tuy số hạn chế mơ điều kiện biên, phân tích kết cấu theo hướng mở triển vọng thực thiết kế MLGBT iiên kết ma sát máy tính Hình Sơ đồ tính phần tử tiếp xúc phần mềm ABAQS 38 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014) Phần lớn tính tốn thiết kế MLGBT liên kết ma sát dựa điều kiện ổn định đẩy cấu kiện ổn định kết cấu biên để định điều kiện ổn định mảng Mặt khác tính tốn xét với tổ hợp tải trọng định trước cho kết cấu độc lập Mối quan hệ làm việc có tính hệ thống mảng tính ngẫu nhiên tải trọng chưa xét tới Hay nói cách khác tính tốn thực theo mơ hình thiết kế truyền thống, số đánh giá an toàn kết cấu hệ số an toàn [3 ][4 ][5] [6 ] [7 ][8 ] Hình Cấu tạo MLGBT Một cách xác định độ tin cậy an toàn MLGBT liên kết ma sát Theo xu tiến giới, tính tốn kè bảo vệ mái dốc thực theo thiết kế xác suất, tiêu đánh giá an tồn độ tin cậy an tồn Mục báo trình bày nội dung tính tốn độ tin cậy an tồn MLGBT liên kết ma sát theo hướng tiếp cận với tốn phân tích hệ thống Các phân tích hệ thống kết cấu kè MLGBT tiến hành theo bước Các cấu kiện thân mảng Kết cấu chân kè Kết cấu đỉnh kè Kết cấu nối tiếp với mảng bên Bước Nhận biết hệ thống kết cấu MLGBT MLGBT có hai phần chính: thân mảng biên mảng Thân mảng gồm cấu kiện liên kết với theo kiểu liên kết ma sát Các cấu kiện đặt tầng lọc ngược gồm hai lớp, lớp vải lọc, lớp đá dăm Biên mảng chân kè có kết cấu dạng tường chắn đất Biên đỉnh kè có kết cấu dạng tường chắn sóng Hai phía cịn lại mảng tiếp xúc với mảng khác hàng cấu kiện tương tự cấu kiện thân mảng có chiều dầy lớn hơn.( hình 1) MLGBT hệ kết cấu làm việc điều kiện tương tác ba môi trường Nước – Đất – MLGBT Các tải trọng tác dụng vào MLGBT phát sinh từ môi trường nước môi trường đất Tải trọng tác dụng vào cấu kiện thân mảng lực sóng, lực thủy tĩnh, lực thấm đẩy Chân kè tường chắn sóng, chịu tác dụng sóng, áp lực nước tĩnh áp lực đất Bước Mô hệ thống kết cấu mảng (1) Cây cố Các cấu kiện mảng, kết cấu biên, phần tử thuộc hệ thống kết cấu MLGBT Các phần tử liên kết với theo hình thức liên kết ma sát Mảng gọi xảy cố phần tử thuộc mảng xảy cố Từ quan điểm mơ q trình xảy cố hệ thống theo sơ đồ hình KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014) 39 Hình Cây cố MLGBT liên kết ma sát ( 2) Cơ chế phá hoại hàm tin cậy Các cấu kiện mảng bị phá hoại không thỏa mãn điều kiện cân sơ đồ hình Trong tổng thành phần trọng lượng thân (G cosα), lực ma sát (Fms) mặt tiếp xúc cấu kiện thành phần hàm sức chịu tải R= Gcosα +∑ Fms (1) Lực sóng âm (Ps) lực đẩy (Pđn) nước tác dụng vào cấu kiện thành phần hàm tải trọng N = Ps + Pđn (2) Theo điều kiện cân đẩy lập hàm tin cậy cấu kiện thuộc mảng: Z1 = (Gcosα +∑ Fms ) – ( Ps + Pđn ) (3) Các phần tử kết cấu chân tường chắn sóng đỉnh kè có liên kết với mái dốc theo sơ đồ hình Kết cấu tường chăn đất chân kè đỉnh kè bị pha hoại trượt, lật bị lún nghiêng ứng suất không đảm bảo… Hiện tượng phá hoại không xảy thỏa mãn biểu thức trạng thái giới hạn (công thức 4) R.m/ Kn ≥ nc N (4) Trong R, N sức chịu tải tải trọng tính tốn, m hệ số điều kiện, Kn hệ số tin cậy, nc hệ số lệch tải Từ điều kiện an toàn (4) tiến hành thiết lập hàm tin cậy theo chế phá hoại lật, trượt… cho kết cấu chân kè tường chắn sóng đỉnh kè Ví dụ: Thiết lập hàm tin cậy chế phá hoại lật kết cấu chân kè hình Tổng mô men chống lật quanh điểm A xem thành phần hàm sức chịu tải (R) R = m/kn [(G – Pđn) l1 + Pđ2 h2 ] (5) Tổng mô men gây lật xem thành phần hàm tải trọng N = nc[ Pđ1 h1+ Psh3 ] (6) Hàm tin cậy Z2 cho chế phá hoại lật viết (6) 40 Z2 = m/kn [(G – Pđn) l1 ] - nc[ Pđ1 h1+ Psh3] (7) Trong G, Pđn,Pđ1 ,Pđ2 , Ps , l1 , h1 ,h2, h3 tổng tải trọng thẳng đứng, áp lực đẩy nổi, áp lực đất nước phía thượng lưu, áp lực đất nước phía hạ lưu, áp lực sóng cánh tay địn mơ men lực tính đến điểm A (hình 4) Tương tự thành lập hàm tin cậy cho chế phá hoại trượt, lún không đều, đẩy nổi… cho cấu kiện đỉnh kè chân kè Hai bên mảng cấu kiện tương tự cấu kiện mảng có chiều dầy dầy hơn, tinh tốn thiết lập hàm tin cậy tương tự cấu kiện mảng Các đại lượng hàm tải trọng hàm chịu tải đại lượng ngẫu nhiên, xác định từ kết phân tích xác suất thống kê số liệu khảo sát đo đạc cụ thể mảng Bước Sơ đồ hóa hệ thống Căn vào đặc điểm cấu tạo, chế phá hoại sơ đồ cố xác định hệ thống kết cấu MLGBT liên kết ma sát hệ thống nối tiếp Sơ đồ hệ thống mảng hình Trong X1 phần tử thuộc thân mảng, X2 phần tử biên dưới, X3 phần tử thuộc biên trên, X4 phần tử biên phải trái mảng Bước Tính độ tin cậy phận mảng Các hàm tin cậy hàm biến tham số ngẫu nhiên, biến tham số tạo từ kết phân tích xác suất thống kê số liệu quan sát, quan trắc, khảo sát … mảng tính tốn Mức độ phản ảnh xác với quy luật tự nhiên tình hình làm việc mảng phụ thuộc nhiều vào khả phản ảnh yếu tố ngẫu nhiên q trình phân tích xác suất thống kê KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014) phức số lẻ người ta quen dùng độ tin cậy an toàn để thay cho xác suất Quan hệ xác suất độ tin cậy hàm phân bố chuẩn sử dụng bảng lập sẵn P = Φ (β ) Độ tin cậy an toàn cấu kiện kết cấu hàm tin cậy có phân bố dạng chuẩn tính theo cơng thức (8) Sơ đồ tính cấu kiện Tính chân kè Hình Sơ đồ tính ổn định cấu kiện, kết cấu chân kè tường chắn sóng Các hàm tin cậy hàm có quy luật phân bố xác suất quy luật phân bố chuẩn Mức độ phức tạp việc tìm xác suất độ tin cậy từ hàm tin cậy tùy thuộc vào quy luật phân bố xác suất hàm độ tin cậy Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, tốn giải mức độ xác suất khác Các tính tốn thực phương pháp lập bảng Exel sử dụng phần mềm, tùy thuộc vào mức độ phức tạp khối lượng cần tính tốn tốn Hình Sơ đồ hệ thống MLGBT liên kết ma sát Hiện giới phần lớn thiết kế cơng trình thủy lợi, chấp nhận kết tính với mức độ xác suất cấp độ hai Các tính tốn thực cách gần cách tuyến tính hóa hàm phi tuyến đưa hàm có dạng phân bố chuẩn (1) Tính độ tin cậy an toàn cấu kiện kết cấu Xác suất an toàn cấu kiện kết cấu xác suất P(Z > 0) Trong tính tốn để tránh phiền Z RN Z R2 N2 (8) Trong β số độ tin cậy an toàn cấu kiện hay kết cấu, σZ , σR , σN độ lêch chuẩn hàm Z, hàm sức chịu tải R hàm tải trọng N (2) Tính độ tin cậy hệ thống kết cấu mảng MLGBT liên kết ma sát Hầu hết tốn tìm độ tin cậy tổng hợp hệ thống thường gặp phải vấn đề phức tạp hàm nhiều biến thường phải sử dụng phương pháp số, áp dụng phương pháp Monte Carlo … Phân tích hệ thống với mức độ xác suất cấp độ hai sử dụng định lí cơng định lí nhân xác suất để tính độ tin cậy tổng hợp hệ thống Các hệ thống kết cấu MLGBT liên kết ma sát mô tả hệ thống nối tiếp, xác suất an tồn hệ thống tính từ định lí cộng xác suất (9) Pht (Z > 0) = P1 (Z > 0) + P2 (Z > 0) + P3 (Z > 0) + P4 (Z > 0) (9) Trong P1 (Z > 0) , P2 (Z > 0) , P3 (Z > 0) , P4 (Z > 0) xác suất an toàn cấu kiện thân mảng, kết cấu biên trên, biên kết cấu liên kết hai bên Bước Phân tích kết Các kết thu tính tốn xác suất an toàn thành phần thuộc hệ thống mảng xác suất an toàn hệ thống kết cấu MLGBT liên kết ma sát Phân tích ảnh hưởng xác suất thành phần đến xác suất hệ thống làm sở lựa chọn yếu tố tác động mạnh làm thay đổi phương án thiết kế theo hướng có lợi đưa những đối tượng biện pháp sửa chữa phù hợp cho mảng hữu cơng trình Ví dụ tính độ tin cậy hệ thống Trong khn khổ báo, ví dụ trình bầy cách tính độ tin cậy an tồn hệ thống có sơ đồ hình Trong độ tin cậy (β) cấu kiện kết cấu mảng KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MƠI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014) 41 tính theo công thức (8) sử dụng bảng P = Φ (β ) xác định xác suất an toàn cấu kiện thuộc mảng P1 (Z1 > 0) = 0,9848 , chân kè P2 (Z2 > 0) = 0,9976, đỉnh kè P3 (Z3 > 0) = 0,9982, hai biên P4 (Z4 > 0) = 0, 9954 Xác suất an tồn hệ thống tính theo cơng thức (9) ước lược theo biên dải rộng Pht = 0, 9848, sử đụng bảng P = Φ (β ) xác định độ tin cậy an toàn hệ thống kết cấu MLGBT liên kết ma sát ví dụ β = 2,16 [8 ] Kết luận (1) Bài báo khái quát dạng kết cấu MLGBT, tình hình nghiên cứu phương pháp tính toán thiết kế Việt Nam đồng thời giới thiệu phương pháp tính độ tin cậy an tồn kết cấu kè MLGBT liên kết ma sát theo hướng tiếp cận với phương pháp phân tích hệ thống (2) Thiết kế theo xác suất sử dụng độ tin cậy làm tiêu đánh giá an toàn MLGBT liên kết ma sát, khắc phục hạn chế thiết kế truyền thống phù hợp với phát triển mơ hình thiết kế loại kết cấu Nội dung báo tài liệu tham khảo hữu ích cho thiết kế nghiên cứu MLGBT liên kết ma sát TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Văn Mạo, Kè bảo vệ mái dốc, Thiết kế đê cơng trình bảo vệ bờ, Nhà xuất Xây dựng 2001 [2] Krystian W Pilarczyk, Dikes and Revetmen, 1992 [3] Nguyễn Quang Hùng, Luận văn Thạc sĩ ĐHTL, Hà Nội 2000 [4] Nguyễn Văn Mạo, Phạm Ngọc Quý, Nguyễn Quang Hùng & nnkh, Tổng kết kết cấu chân kè đê biển, nghiên cứu KHCN, Đề tài cấp Bộ 1996 [5] Phan Tấn Huy1, Nguyễn Đăng Hưng1, Nguyễn Văn Hiếu2, Phan Đức Tác3, Nguyễn Văn Mạo4 Slope protection structures, Structural analysis of inter-locking blocks PDT - CM 5874 & toe structure type HWRU-2001 by using ABAQUS ICEC 2012, Proceedings of the fourth International Conference on Estuaries and Coasts, volume [6 ] Phan Đức Tác, Phạm Ngọc Khánh, Thí nghiệm ổn định kè sử dụng cấu kiện Tsc – 178 mơ hình cứng, Tập san Thủy Lợi 307 tháng 11-12/1995 [7] Phan Đức Tác, Đào Xuân Sơn, Nghiên cứu ổn định mảng mềm Tsc – 178 máng sóng, Tập san Thủy Lợi 307 tháng 11-12/1995 [8] Nguyễn Văn Mạo & nnkh, Cơ sở tính độ tin cậy an toàn đập, Nhà xuất Xây dựng 2014 (bản thảo) Abstract RELIABILITY ANALYSIS OF REVETMENTS USING INTERLOCKING CONCRETE BLOCKS Revetments by assembling precast concrete friction associated structures as flexible easy ground deformation commonly used for dye, dam slope protection and river, sea bank protection in Vietnam Nam Due to the physical characteristics and are affected by many uncertain factors of nature, it is a system of complex structural work The structure analysis in the traditional design met limitations in describing the boundary conditions as well as the limitations of deterministic design models This paper presents the results of a research into the revetment safety reliability in the direction of approach to the problem of system analysis The article is a reference for modern design to overcome the limitations of traditional designs are used for this structure in Vietnam Key words: Revetments; Flexible structure; Safety reliability Người phản biện: PGS.TS Mai Văn Công 42 BBT nhận bài: 28/2/2014 Phản biện xong: 11/3/2014 KHOA HỌC KỸ THUẬT THỦY LỢI VÀ MÔI TRƯỜNG - SỐ 44 (3/2014) ... cấu kiện bị đẩy khỏi mảng Ổn định k? ??t cấu biên đánh giá theo chế phá hoại kiểu k? ??t cấu hình thức li? ?n k? ??t với mái dốc MLGBT li? ?n k? ??t ma sát k? ??t cấu không gian phức tạp, không thuộc vào loại k? ??t... thấy: cấu kiện mảng bị tách rời khỏi mảng k? ??t cấu biên bị ổn định, không khắc phục kip thời mảng bị sóng phá hoại hồn tồn Vì tính tốn ổn định MLGBT li? ?n k? ??t ma sát lấy giới hạn li? ?n k? ??t cấu kiện mảng... gồm cấu kiện li? ?n k? ??t với theo kiểu li? ?n k? ??t ma sát Các cấu kiện đặt tầng lọc ngược gồm hai lớp, lớp vải lọc, lớp đá dăm Biên mảng chân k? ? có k? ??t cấu dạng tường chắn đất Biên đỉnh k? ? có k? ??t cấu