TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
LÊ ĐỨC QUÝ
PHÂN TÍCH SỨC CHỊU TẢI CỦA MĨNG GIẾNG CHÌM TRONG NỀN SÉT KHƠNG ĐỒNG NHẤT, KHƠNG ĐẲNG HƯỚNG BẰNG PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN (FEM)
VÀ MẠNG THẦN KINH NHÂN TẠO (ANN)
Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng Mã số: 8580211
LUẬN VĂN THẠC SĨ
Trang 2TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Lại Văn Qúi Chữ ký:
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Lê Trọng Nghĩa Chữ ký:
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS Võ Minh Thiện Chữ ký:
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 07 tháng 02 năm 2023
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: 1 Chủ tịch: PGS.TS Lê Bá Vinh
2 Thư ký: TS Nguyễn Tuấn Phương3 Phản biện 1: TS Lê Trọng Nghĩa4 Phản biện 2: TS Võ Minh Thiện5 Ủy viên: TS Lại Văn Quí
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA
KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Trang 3TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TPHCM Độc Lập – Tự Do – Hạnh Phúc
NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ và tên học viên: LÊ ĐỨC QUÝ MSHV: 2070084
Ngày tháng năm sinh: 20/03/1994 Nơi sinh: Bình Định Chuyên ngành: Địa Kỹ Thuật Xây Dựng - Mã số: 8580211
I TÊN ĐỀ TÀI: Phân tích sức chịu tải của móng giếng chìm trong nền sét khơng
đồng nhất, khơng đẳng hướng bằng phương pháp FEM và ANN./ Analysis
bearing capacity of suction caisson in anisotropic and nonhomogeneous clay by finite element method and artificial neural network
II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG
1 Tiến hành thu thập và xử lý kết quả số liệu từ nghiên cứu của các tác giả khác trước đó,nghiên cứu đánh giá cơ chế chịu lực của móng giếng chìm.
2 Trình bày cơ sở lý thuyết phương pháp FEM và ANN.
3 Phân tích khả năng chịu lực móng giếng chìm trong nền sét khơng đồng nhất, khôngđẳng hướng Xử lý đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của móng như
tỷ số L/D, hệ số bám dính giữa móng và đất α, hệ số không đồng nhất, hệ số không
đẳng hướng
4 Đề xuất các mơ hình phân tích sức chịu tải của móng giếng chìm trong nền sét khơngđồng nhất, khơng đẳng hướng bằng phương pháp FEM và ANN.
III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:05/09/2022
IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:18/12/2022
V TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN :TS Lại Văn Qúi
Tp.HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2022
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO
TS Lại Văn Quí PGS.TS Lê Bá Vinh TRƯỞNG KHOA KỸ THUẬT XÂY DỰNG
Trang 4Trước tiên, tơi xin chân thành bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến Thầy TS Lại Văn Quí Thầy đã cho tơi những kiến thức bổ ích cả về lý thuyết lẫn thực tế trong quá trình học tập bậc đại học và cao học, đồng thời mở ra những hướng đi trên con đường tiếp cận phương pháp nghiên cứu khoa học Quá trình thực hiện đề cương và luận văn, thầy đã gợi mở để xây dựng ý tưởng của đề tài, trực tiếp hướng dẫn và cho tơi những đóng góp q báu để đi đến hồn thành luận văn
Tôi cũng xin chân thành cảm ơn quý Thầy cô Khoa Kỹ thuật Xây dựng, trường Đại học Bách Khoa Tp HCM đặc biệt là các Thầy Cơ Bộ Mơn Địa Cơ Nền Móng đã tận tình giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho tơi từ suốt quá trình học chương trình Cao học
Đồng thời, tôi xin chân thành cảm ơn các bạn bè, anh chị đồng nghiệp truyền đạt những kinh nghiệm thực tế, tạo điều kiện tốt nhất cho tôi trong quá trình thực hiện luận văn
Xin cám ơn cha, mẹ, ông bà và các thành viên trong gia đình luôn ủng hộ và động viên tơi trong suốt q trình học tập và thực hiện luận văn
Mặc dù đã rất cố gắng trong quá trình thực hiện nhưng luận văn khơng thể tránh khỏi những thiếu sót Tác giả mong nhận được sự góp ý của q thầy cơ và bạn bè
TP HCM, ngày 18 tháng 12 năm 2022
Tác giả luận văn
Lê Đức Quý
Trang 5Luận văn trình bày một giải pháp mới để phân tích đánh giá khả năng chịu tải của móng giếng chìm trong đất sét khơng đồng nhất, khơng đẳng hướng bằng cách sử dụng phân tích phần tử hữu hạn chuyển vị (FEA) và mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) Phần mềm phân tích phần tử hữu hạn FEA PLAXIS 2D được sử dụng để kiểm tra khả năng chịu tải của móng giếng chìm với mơ hình đất khơng đẳng hướng tích hợp có tên NGI-ADP Khả năng chịu tải của móng giếng chìm được biểu thị bằng hệ số ổn định không thứ nguyên là hàm của bốn tham số thiết kế không thứ nguyên là tỷ lệ độ sâu móng trên đường kính, hệ số tiếp xúc phần tử bề mặt giữa móng giếng chìm và đất sét, tỷ lệ độ dốc của cường độ cắt đất sét (thể hiện nền sét không đồng nhất) và thơng số thể hiện tính khơng đẳng hướng của nền đất sét Sử dụng các kết quả số được tạo ra, ANN được sử dụng làm kỹ thuật điều khiển dữ liệu để đề xuất một phương trình thực nghiệm nhằm ước tính hệ số sức chịu tải của móng giếng chìm Hơn nữa, một nghiên cứu về độ nhạy được thực hiện để đánh giá tầm quan trọng tương đối của bốn tham số được xem xét đối với khả năng chịu tải của giếng chìm Biểu đồ thiết kế, bảng và phương trình thực nghiệm được phát triển từ nghiên cứu có thể được sử dụng để hỗ trợ thiết kế thực tế
Trang 6The thesic presents a novel solution for evaluating the uplift resistance of caisson foundations in anisotropic clay using displacement finite element analysis (FEA) and artificial neural network (ANN) The commercial FEA PLAXIS code is used to examine the uplift resistance of caisson foundations with a built-in anisotropic soil model named NGI-ADP The uplift resistance is expressed by a dimensionless stability factor that is a function of four dimensionless design parameters, i.e., the ratio of depth to diameter, the adhesion factor at the interface between caisson and clay, the shear strength gradient ratio, and the anisotropic strength ratio Using the produced numerical results, ANN is adopted as the data driven technique to propose an empirical equation to estimate the uplift resistance factor Furthermore, a sensitivity study is implemented to evaluate the relative importance of the four considered parameters on the uplift resistance of the caisson Design charts, tables and empirical equations are developed and can be used to assist in practical designs
Trang 7Tôi là Lê Đức Quý đã thực hiện nghiên cứu luận văn thạc sĩ “Phân tích sức chịu tải của
móng giếng chìm trong nền sét khơng đồng nhất, không đẳng hướng bằng phương pháp
FEM và ANN” Tôi xin cam đoan rằng toàn bộ những nội dung được trình bày trong bài
luận văn là mà cá nhân tôi đã nghiên cứu và được thực hiện dưới sự hướng dẫn của Thầy TS Lại Văn Quí
Các số liệu được sử dụng trong luận văn là hoàn toàn trung thực và chưa từng được một tác giả nào khác cơng bố trong bất kỳ cơng trình nghiên cứu khác, tơi cam kết hồn tồn chịu mọi trách nhiệm thuộc về tính trung thực cũng như kết quả của đề tài nghiên cứu này
Trang 8NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ ILỜI CẢM ƠN IITÓM TẮT III ABSTRACT IV LỜI CAM ĐOAN V MỤC LỤC VI DANH MỤC HÌNH ẢNH VIIIDANH MỤC BẢNG BIỂU XIDANH MỤC KÝ HIỆU VÀ CÁC CHỮ VIẾT TẮT XII
MỞ ĐẦU 1
CHƯƠNG 1 : TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ NƯỚC NGỒI VỀ MĨNG GIẾNG CHÌM 4
GIỚI THIỆU CHUNG 4
TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU NƯỚC NGOÀI 4
CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC 20
NHẬN XÉT 20
CHƯƠNG 2 : CƠ SỞ LÝ THUYẾT 21
2.1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU MĨNG GIẾNG CHÌM 21
2.1.1 Cấu tạo móng giếng chìm 21
2.1.2 Móng giếng chìm trong thực tế 22
2.2 KHÁI NIỆM VỀ NỀN SÉT KHÔNG ĐỒNG NHẤT, KHÔNG ĐẲNG HƯỚNG 25
2.2.1 Nền sét 25
2.2.2 Tính khơng đồng nhất của nền sét 29
2.2.3 Tính khơng đẳng hướng của nền sét 30
2.3 CÁC MƠ HÌNH PHẦN TỬ HỮU HẠN-PHẦN MỀM PLAXIS 33
Trang 92.3.3 Mơ hình NGI-ADP (Anisotropic undrained shear strength) 42
2.4 CƠ SỞ LÝ THUYẾT PHƯƠNG PHÁP MẠNG NƠ-RON NHÂN TẠO ANN 46
2.5 NHẬN XÉT CHƯƠNG 2 50
CHƯƠNG 3 : PHÂN TÍCH ỨNG XỬ CỦA MĨNG GIẾNG CHÌM TRONG NỀN SÉT KHÔNG ĐỒNG NHẤT, KHÔNG ĐẲNG HƯỚNG 52
3.1 GIỚI THIỆU 52
3.2 PHÂN TÍCH PHẦN TỬ HỮU HẠN 52
3.2.1 Đặt vấn đề 52
3.2.2 Mơ hình phân tích 55
3.2.3 Kết quả và kiểm chứng với các nghiên cứu trước 56
3.2.4 Phân tích mở rộng 63
3.2.5 Cơ chế phá hoại của móng giếng chìm 66
3.3 XÂY DỰNG MẠNG THẦN KINH NHÂN TẠO ANN 72
3.4 NHẬN XÉT CHƯƠNG 3 77
CHƯƠNG 4 : KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 79
4.1 KẾT LUẬN 79
4.2 KIẾN NGHỊ 80
TÀI LIỆU THAM KHẢO 81
PHẦN LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 84
Trang 10Hình 1.1: Cấu tạo và phân loại móng giếng chìm 22
Hình 1.2: Ngun lý hút nước trong thi cơng móng giếng chìm 22
Hình 1.3: Móng giếng chìm được dùng cho phần móng của tháp làm mát 23
Hình 1.4: Móng giếng chìm được dùng cho phần móng của tua-bin gió 23
Hình 1.5: Móng giếng chìm trong cơng trình dầu khí (a), (b) 24
Hình 1.6: Móng giếng chìm cho các cơng trình cầu 25
Hình 1.7: Giản đồ Casagrande 28
Hình 1.8: Vịng trịn Mohr ứng suất 29
Hình 1.9: Đồ thị su tăng theo độ sâu theo Boonchai Ukritchon (2018) [2] 30
Hình 1.10: Sự thay đổi sức chống cắt theo các phương chịu lực khác nhau trong bài tốn nền sét khơng đẳng hướng về sức chịu tải (Grimstad và cộng sự 2012 [8]) 32
Hình 1.11: Biến dạng phẳng độ bền cắt khơng thốt nước khơng đẳng hướng của ba mơ hình đất có phương ứng suất chính lần lượt là 0, 30, 90 (Grimstad và cộng sự 2012 [8]) 32
Hình 1.12: Quan hệ ứng suất biến dạng trong mơ hình M-C 33
Hình 1.13: Mặt ngưỡng dẻo MC trong khơng gian ứng suất chính (Manual Plaxis, 2009) [13] 35
Hình 1.14: Mặt ngưỡng dẻo MC trong khơng gian ứng suất chính (Manual Plaxis, 2009) [13] 36
Hình 1.15: Quan hệ giữa ứng suất và biến dạng theo hàm Hyperbolic trong thí nghiệm nén 3 trục thốt nước (Manual Plaxis, 2009) [13] 38
Hình 1.16: Các đường cong dẻo ứng với các giá trị γp khác nhau (Manual Plaxis, 2009) [13] 39
Hình 1.17: Định nghĩa mơ đun Eoedref trong thí nghiệm nén cố kết (Manual Plaxis, 2009) [13] 40
Hình 1.18: Mặt dẻo trong khơng gian ứng suất chính của mơ hình HS (Manual Plaxis, 2009) [13] 40
Trang 11có sự mở rộng của mơ hình NGI-ADP (Manual Plaxis, 2020) [12] 43
Hình 1.21: Biến dạng phẳng lệch tâm điển hình của các đường bao biến dạng cắt bằng nhau cho mơ hình NGI-ADP (Manual Plaxis, 2020) [12] 44
Hình 1.22: Tiêu chí phá hủy của mơ hình NGI-ADP trong mặt phẳng π (Manual Plaxis, 2020) [12] 44
Hình 1.23: Cấu tạo của tế bào nơron sinh học 47
Hình 1.24: Nơron nhân tạo 48
Hình 2.1: Định nghĩa bài tốn móng giếng chìm của Ukrichon (2016) [16] 4
Hình 2.2: Mesh sau khi phân tích móng giếng chìm, trường hợp α =1, L/B =0.25, L/B =0.5 5
Hình 2.3: Ví dụ về ứng dụng phương pháp phần trong móng giếng chìm 6
Hình 2.4: Ứng dụng của móng giếng chìm và cấu tạo 6
Hình 2.5: Ý tưởng về phân chia vùng đất trong nền sét không đẳng hướng 7
Hình 2.6: Mặt phá hoại theo tiêu chuẩn Tresca 8
Hình 2.7: Cơ chế phá hoại của móng giếng chìm 9
Hình 2.8: Sơ đồ của mạng neural network 9
Hình 2.9: Chỉ số quan trọng của từng thơng số 10
Hình 2.10: Chỉ số tương quan (%) của các thơng số 11
Hình 2.11: Định nghĩa bài tốn hầm hình chữ nhật 12
Hình 2.12: Sơ đồ Neural network với weight 12
Hình 2.13: Cơ chế mesh khi bị phá hoại của hầm hình chữ nhật 13
Hình 2.14: Cơ chế phá hoại 13
Hình 2.16: Định nghĩa bài tốn móng giếng chìm theo phần mềm OptumG2 14
Hình 2.17: Cơ chế mesh khi bị phá hoại của hầm hình chữ nhật 14
Hình 2.15: Tiêu chuẩn phá hoại AUS 15
Hình 2.18: Sự dịch chuyển móng giếng chìm ứng với các trường hợp tải 16
Hình 2.19: Kích thước hình học của bài tốn móng giếng chìm trong nghiên cứu này 16
Hình 2.20: Diện tích mặt trượt của các loại tải 17
Trang 12Hình 2.23: Phương pháp MLPR 19
Hình 2.24: Sơ đồ thúc đẩy 19
Hình 2.25: Kết quả độ quan trọng của các thông số sử dụng phương pháp XGBoost 20
Hình 3.1: Mơ hình tổng qt của móng giếng chìm trong nền dất sét không đồng nhất và không đẳng hướng 53
Hình 3.2: Mơ phỏng móng giếng chìm bằng phần mềm Plaxis 2D 2020 55
Hình 3.3: So sánh giữa kết quả báo cáo này với những kết quả từ nghiên cứu trước đây 56 Hình 3.4: Ảnh hưởng của thông số L/D đối với N trong trường hợp = 0.8: (a) m = 0, (b) m = 0.6, (c) m = 1, (d) m = 5 63
Hình 3.5: Ảnh hưởng của thơng số m đối với N trong trường hợp 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴= 0.7: (a) L/D = 0.6; (b) L/D = 1; (c) L/D = 2; (d) L/D = 5 64
Hình 3.6: Ảnh hưởng của thơng số 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴 đối với N trong trường hợp = 0.8: (a) L/D=0.6; (b) L/D=1; (c) L/D=2; (d) L/D=5 65
Hình 3.7: Ảnh hưởng của thông số α đối với N trong trường hợp m = 1: (a) 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴= 0.6; (b) 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴= 0.7; (c) 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴=0.8; 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴= 1 (d) 66
Hình 3.8: Mặt phá hoại trường hợp L/D (α = 0.2, m = 0; 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴suP/suA= 0.6) 68
Hình 3.9: Mặt phá hoại trường hợp m (α = 0.8; 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴= 1; L/D =5) 69
Hình 3.10: Mặt phá hoại trường hợp α (m = 1; 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴 = 0.8; L/D = 2) 70
Hình 3.11: Mặt phá hoại trường hợp 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴 (m = 2; α= 0.8; L/D = 2) 71
Hình 3.12: Thể hiện mơ hình ANN 73
Hình 3.13: So sánh kết quả giữa ANN và FELA 75
Hình 3.14: Kết quả khảo sát ảnh hưởng của các thông số khảo sát đến kết quả hệ số sức chịu tải thơng qua hệ số RI từ mơ hình ANN 77
Trang 13Bảng 1: Bảng tra hệ số poisson dựa vào các kết quả nghiên cứu (Võ Phán và Hoàng Thế
Thao, 2012) [14] 35
Bảng 2: Các hàm kích hoạt thường được sử dụng 48
Bảng 3: Thông số cần khảo sát 54
Bảng 4: Kết quả của các thông số N ứng với trường hợp 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴 = 1 57
Bảng 5: Kết quả của các thông số N ứng với trường hợp 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴 = 0.8 58
Bảng 6: Kết quả của các thông số N ứng với trường hợp 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴 = 0.7 59
Bảng 7: Kết quả của các thông số N ứng với trường hợp 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴 = 0.6 60
Bảng 8: Kết quả của các thông số N ứng với trường hợp 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴 = 0.5 61
Bảng 9: Kết quả của các thông số N ứng với trường hợp 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴 = 0.4 62
Bảng 10: Weight và Bias 74
Trang 14ANN Mạng Nơ-rôn thần kinh nhân tạo, một công nghệ học máy
AUS Sức chống cắt khơng thốt nước khơng đẳng hướng, tên của mơ hình đất
a0 Hằng số đề xuất theo kinh nghiệm theo MARS
an Hệ số được thêm trong hàm cơ bản
BF Hàm cơ bản
BFs Những cơng thức cơ bản
D Đường kính móng giếng chìm
N Hệ số sức chịu tải
f(x) Hàm số
FEA Phân tích phần tử hữu hạn
FELA Phân tích giới hạn phần tử hữu hạn
FEM Phương pháp phần tử hữu hạn
L Chiều sâu chơn móng
L/D Tỉ lệ chiều sâu chơn móng và bề rộng móng
LB Biên dưới
NLR Hồi qui phi tuyến tính
max Lớn nhất
min Nhỏ nhất
MARS Hồi qui thích ứng đa biến đa chiều, một công nghệ học máy
IP Chỉ số dẻo
IL Chỉ số nhão
𝑚 = 2𝜌𝑅/𝑠𝑢0𝐴 Tỉ lệ tăng sức chống cắt theo độ sâu
q Áp lực phân bố
R Bán kính
Độ dốc của sức chịu tải tăng tuyến tính
RF Tần số vô tuyến, một công nghệ học máy
RMSE Sai số trung bình bình phương gốc
SGBT Thuật tốn cây tăng cường độ dốc, một phương pháp máy học
RII Chỉ số quan trọng tương đối
re = 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴 Tỉ lệ sức chịu tải không đẳng hướng giữa 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴
su Giá trị sức chống cắt tăng theo chiều sâu
su0 Giá trị sức chống cắt tại mặt đất
𝑠𝑢𝐷𝑆𝑆 Sức chống cắt từ thí nghiệm cắt đơn
Trang 15𝑠𝑢 Sức chống cắt từ thí nghiệm nén 3 trục
𝑠𝑢0𝐴 Sức chống cắt tại bề mặt từ thí nghiệm nén ba trục 𝑠𝑢𝑝 Sức chống cắt từ thí nghiệm kéo 3 trục
𝑠𝑢0𝑝 Sức chống cắt tại bề mặt từ thí nghiệm kéo 3 trục
UB Biên trên
x Biến đầu vào
X Biến
XGBoost Thuật toán tăng cường độ dốc cao, một phương pháp máy học
z Chiều sâu tính từ bề mặt
Σ Tổng
Trang 16Trường Đại học Bách Khoa Trang 1
MỞ ĐẦU
TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI
Cơng trình dầu khí, móng trụ cầu, tháp giải nhiệt, bể chứa, điện gió các cơng trình dân dụng và cơng nghiệp xây dựng trên biển, sơng, hồ… là các cơng trình đang phát triển với tốc độ nhanh ở Việt Nam Phần lớn các cơng trình này đều có phần nền móng nằm trong nước, giải pháp móng giếng chìm tạo áp lực hút để hút nước ra khỏi hố móng thường được áp dụng (suction caisson foundation) Trong tương lai cùng với việc phát triển của nền kinh tế Việt Nam, các cơng trình này sẽ được phát triển và nhân rộng trên khắp các vùng Miền trên cả nước Tuy nhiên, việc tối ưu trong vấn đề tính tốn thiết kế phần móng cho các dự án trên cũng là yêu cầu chung trong sự phát triển của ngành địa kỹ thuật cơng trình
Hiện tại đã có nhiều phương án được sử dụng trong thiết kế phần móng của các cơng trình được xây dựng trên biển, sơng, hồ… nêu trên, nhằm tối ưu hóa về mặt kĩ thuật cũng như đảm bảo các yêu cầu về mặt kinh tế Trong thực tế kỹ thuật, các loại móng có tiết diện hình trụ thường được sử dụng để chịu tải cho khơng chỉ riêng kết cấu cơng trình dầu khí, móng trụ cầu, tháp giải nhiệt, bể chứa, điện gió mà cịn cho cả các kết cấu khơng đối xứng trục khác như trạm radar, tháp truyền dẫn, ống khói, silo, Các loại móng giếng chìm tiết diện trụ tròn tương đối lớn, khối lượng các vật liệu trong q trình thi cơng xây dựng khá nhiều dẫn đến tăng cao chi phí thực hiện các dự án Tuy nhiên tại Việt Nam các nghiên cứu về móng giếng chìm vẫn cịn rất hạn chế
Trang 17Trường Đại học Bách Khoa Trang 2 Để có cái nhìn chi tiết hơn về q trình làm việc của móng giếng chìm trong nền đất sét, xem xét hiệu quả và khả năng ứng dụng của giải pháp móng này trong việc giải quyết các bài tốn cho các cơng trình cụ thể nói riêng và trong lĩnh vực địa kĩ thuật nói chung,
tác giả sẽ trình bày trong nội dung luận văn này: “Phân tích ứng xử của móng giếng chìm (suction cassion) trong nền sét không đồng nhất, không đẳng hướng bằng phương pháp phân tử hữu hạn (FEM) và mạng nơ-ron nhân tạo (ANN)”
MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI
Tìm hiểu tổng quan về cấu tạo của móng giếng chìm và phân tích ứng xử của móng giếng chìm trong nền sét có sức chống cắt thay đổi tăng tuyến tính theo độ sâu và có ứng suất thay đổi theo các phương mặt trượt khác nhau hay cịn gọi là nền sét khơng đồng nhất, khơng đẳng hướng
Thiết lập tính tốn thơng số sức chịu tải của móng giếng chìm trong nền sét khơng đồng nhất, không đẳng hướng
Ý NGHĨA KHOA HỌC CỦA ĐỀ TÀI
Đóng góp nghiên cứu khoa học cho phần nền móng đặc biệt là móng cơng trình dầu khí, móng trụ cầu, tháp giải nhiệt, bể chứa, điện gió các cơng trình dân dụng và cơng nghiệp xây dựng trên biển, sông, hồ…
Là tài liệu tham khảo cho việc kết hợp phân tích sức chịu tải của móng giếng chìm dưới sự hỗ trợ của phần mềm Plaxis 2D và dự đốn khả năng chịu tải của móng giếng chìm trong nền đất sét khơng đồng nhất và không đẳng hướng bằng phương pháp máy học mạng thần kinh nhân tạo (ANN)
PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Thu thập số liệu từ các tài liệu nghiên cứu của các tác giả khác trước đây liên quan đến ứng xử của móng giếng chìm và các nhân tố ảnh hưởng đến ứng xử của móng
Phân tích lựa chọn các thơng số, điều kiện đầu vào cho tính tốn và mơ hình phân tích trong phần tử hữu hạn Sử dụng phần mềm Plaxis 2D để mô phỏng
Đánh giá, so sánh kết quả thu được sau quá trình phân tích với các nghiên cứu đã có trên thế giới
Trang 18Trường Đại học Bách Khoa Trang 3
PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Phạm vi nghiên cứu mang tính chất học thuật chưa có điều kiện nhân rộng phân tích nhiều khu vực với địa chất thực tế khác nhau
Tập trung nghiên cứu trong nền đất sét không đồng nhất và không đẳng hướng, chưa có trong đất cát
Trang 19Trường Đại học Bách Khoa Trang 4
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC VÀ NƯỚC NGOÀI VỀ MĨNG GIẾNG CHÌM
GIỚI THIỆU CHUNG
Trong chương này, trình bày một số nghiên cứu cơ bản về móng giếng chìm cũng như các nghiên cứu xác định sức chịu tải của móng giếng chìm bằng các phương pháp số Bên cạnh đó, nhóm nghiên cứu cũng trình bày các nghiên cứu về mơ hình mạng thần kinh nhân tạo ANN cũng như các tài liệu liên quan đến mơ hình nền sét khơng đồng nhất và khơng đẳng hướng
TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU NƯỚC NGOÀI
1 Phân tích giới hạn phần tử hữu hạn của sức chịu kéo cho móng giếng chìm trênnền sét (Boonchai Ukritchon và Suraparb Keawsawasvong, 2016)
Phương pháp giới hạn trên và giới hạn dưới của sức chịu kéo cho móng hình nón trên nền sét trong phân tích giới hạn phần tử hữu hạn 2D được đề xuất bởi Boonchai Ukritchon và Suraparb Keawsawasvong trong nghiên cứu “Finite element limit analysis of pullout capacity of planar caissons in clay” năm 2016 [15]
Trang 20Trường Đại học Bách Khoa Trang 5
Hình 1.2: Mesh sau khi phân tích móng giếng chìm, trường hợp α =1, L/B =0.25, L/B =0.5
Kết quả của nghiên cứu đã đề xuất công thức kinh nghiệm cho hệ số sức chịu tải không thứ nguyên và hệ số sức chịu tải nghịch Với sự hỗ trợ của phần mềm thương mại OptumG2, bài báo này phân tích giới hạn phần tử hữu hạn nhằm nghiên cứu ảnh hưởng
của 2 thông số thể hiện hình dạng móng là L và B và hệ số tiếp xúc giữa bề mặt móng và mơ hình đất α đối với hệ số sức chịu tải không thứ nguyên N
2 Sức chịu tải đứng khơng thốt nước của móng giếng chìm (G Yun và M.F.Bransby 2007)
Trong nghiên cứu “The Undrained Vertical Bearing Capacity of Skirted Foundations” [16], G Yun và Bransby đã tiến hành khảo sát móng giếng chìm dưới tác dụng của tải đứng, trên nền đất sét cố kết không thoát nước Phương pháp số được áp dụng trong nghiên cứu này là phương pháp phân tích phần tử hữu hạn và phân tích biên trên Các thơng số được khảo sát là D/B (D độ sâu của móng, B là bề rộng móng) và hệ số khả năng chịu tải
đựng Nc
Trang 21Trường Đại học Bách Khoa Trang 6
Hình 1.3: Ví dụ về ứng dụng phương pháp phần trong móng giếng chìm
3 Móng giếng chìm cho tua-bin điện gió (Guy T Houlsby, Lars Bo Ibsen & ByronW Byrne)
Trong nghiên cứu “Suction caissons for wind turbines” [17], tác giả đề xuất đến một loại móng mới dùng để sử dụng cho móng điện gió là móng giếng chìm Trong đó, tác giả có tổng quát một vài nghiên cứu trong q trình phát triển phương pháp thiết kế cho móng giếng chìm cho móng điện gió
Trang 22Trường Đại học Bách Khoa Trang 7 Cụ thể hơn, móng giếng chìm chân đơn và móng giếng chìm 3 chân dưới tác dụng của nhiều loại tải được xét đến Nghiên cứu cũng để cập ngắn gọn về phương pháp số và lý thuyết cơ bản, hơn thế nữa, những nghiên cứu mới nhất trong việc thi cơng móng giếng chìm cũng được nhắc đến Tóm lại, Guy T Houlsby và các cộng sự đã đưa ra nghiên cứu này với một góc nhìn tổng quan về móng giếng chìm cho tua-bin điện gió
4 Mơ hình đất NGI-ADP cho đất sét (Gustav Grimstad, Lars Andresen, và Hans P Jostad, năm 2012)
Vào năm 2012, nhóm các nhà nghiên cứu từ Na Uy gồm Gustav Grimstad, Lars Andresen, và Hans P Jostad đã đề xuất một mơ hình đất dựa trên sức chống cắt khơng thốt nước là NGI-ADP với 3 thơng số đầu vào đặc trưng gồm 3 thông số sức chống cắt, chủ động, bị động, và cắt trực tiếp [18]
Hình 1.5: Ý tưởng về phân chia vùng đất trong nền sét không đẳng hướng
Trang 23Trường Đại học Bách Khoa Trang 8
Hình 1.6: Mặt phá hoại theo tiêu chuẩn Tresca
5 Cơng thức mới xác định sức chịu tải khơng thốt nước của móng giếng chìm có xét đến hình dạng móng, hệ số bề mặt móng, và sức chống cắt tăng theo độ sâu (Boonchai Ukritchon, Panuvat Wongtoythong, Suraparb Keawsawasvong, năm 2018)
Trong một nghiên cứu khác vào năm 2008, nhóm các tác giả gồm Boonchai Ukritchon, Panuvat Wongtoythong, Suraparb Keawsawasvong đã thực hiện nghiên cứu sức chịu tải khơng thốt nước của móng giếng chìm trên nền sét [19] Các thông số được xét đến gồm
Trang 24Trường Đại học Bách Khoa Trang 9
Hình 1.7: Cơ chế phá hoại của móng giếng chìm
6 Tiếp cận mạng thần kinh nhân tạo để ước lượng sự lệch của tường chắn đất gây ra bởi hố đào trên nền sét (Gordon T.C Kung, Evan C.L Hsiao, Matt Schuster, C Hsein Juang, năm 2007)
Trong nghiên cứu “A neural network approach to estimating deflection of diaphragm walls caused by excavation in clays” [20], Gordon T.C Kung và các cộng sự đã đề xuất một hướng tiếp cận mới để dự đoán độ lệch của tường chắn đất gây ra bởi các tác động do hố đào trên nền sét - Một hướng tiếp cận máy học, với mơ hình kiến trúc mạng thần kinh nhân tạo ANN
Trang 25Trường Đại học Bách Khoa Trang 10 Dữ liệu dùng để huấn luyện và kiểm tra cho mô hình ANN được lấy từ kết quả của các trường hợp mơ hình sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn Việc mô tả ANN cho thấy rằng sự ảnh hưởng của mỗi một thông số đầu vào tác động lên sự dịch chuyển của tường chắn đất Xác nhận bằng cách sử dụng 12 hố đào thực tế ở Đài Loan được sử dụng trong nghiên cứu này cho thấy rằng sự dịch chuyển tường gây ra bởi hố đào có thể dự đốn được bởi mơ hình ANN
Các thông số được khảo sát trong bài báo gồm He, S, B, su/σ’v, Ei/σ’v lần lượt là chiều sâu cuối cùng của hố đào, độ cứng tổng thể, bề rộng hố đào, tỉ số sức chống cắt với ứng suất hữu hiệu, và tỉ số giữa mô đun đàn hồi Young và ứng suất hữu hiệu Kết quả của nghiên cứu cho thấy Ei/σ’v ảnh hưởng nhiều nhất đối với độ lệch của hố đào
Hình 1.9: Chỉ số quan trọng của từng thông số
7 Sức chịu tải của móng hình nón trên nền sét khơng đồng nhất và khơng đẳng hướng sửa dụng phân tích phần tử hữu hạn và mơ hình mạng thần kinh nhân tạo ANN
Trang 26Trường Đại học Bách Khoa Trang 11 Hơn thế nữa, nghiên cứu đã sử dụng mơ hình mạng thần kinh nhân tạo ANN để khảo
sát 216 kết quả từ phân tích hữu hạn, với các thơng số đầu vào bao gồm gốc hình nón (β), tỉ lệ tăng sức chịu tải tuyến tính (m), và cuối cùng là tỉ lệ sức chống cắt không đẳng hướng
𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴
Kết quả nghiên cứu này đã thể hiện một công thức với hệ số sức chịu tải không thứ
nguyên N là biến đầu ra, cùng với đó là các biến đầu vào β, m, 𝑠𝑢𝑃/𝑠𝑢𝐴, và góc β có ảnh
hưởng nhiều nhất đến hệ số N
Hình 1.10: Chỉ số tương quan (%) của các thông số
8 Ứng dụng của mơ hình mạng thần kinh nhân tạo trong việc dự đốn độ ổn định của hầm hình chữ nhật trong khối đá Hoek-Brown
Trang 27Trường Đại học Bách Khoa Trang 12
Hình 1.11: Định nghĩa bài tốn hầm hình chữ nhật
Cụ thể hơn, với việc kết hợp phân tích giới hạn phần tử hữu hạn cùng với tiêu chuẩn phá hoại Hoek-Brown được sử dụng để phát triển giải pháp biên trên và biên dưới cho hầm trong khối đá
Hình 1.12: Sơ đồ Neural network với weight
Trang 28Trường Đại học Bách Khoa Trang 13
Hình 1.13: Cơ chế mesh khi bị phá hoại của hầm hình chữ nhật
Trang 29Trường Đại học Bách Khoa Trang 14
9 Hệ số sức chịu tải cho móng giếng chìm trên nền sét khơng đẳng hướng dựa trên tiêu chuẩn phá hoại sức chống cắt không đẳng hướng
Một lần nữa, Suraparb Keawsawasvong và các cộng sự đã đề xuất một giải pháp xuất phát từ việc sử dụng phân tích giới hạn biên trên và biên dưới dưới điều kiện đối xứng trục trong “Pullout Capacity Factor for Cylindrical Suction Caissons in Anisotropic Clays Based on Anisotropic Undrained Shear Failure Criterion” [23]
Trong đó, đất sét khơng đẳng hướng tn theo tiêu chuẩn phá hoại sức chống cắt không đẳng hướng (AUS) với 3 loại sức chống cắt 3 trục, kéo, nén và cắt trực tiếp
Hình 1.15: Định nghĩa bài tốn móng giếng chìm theo phần mềm OptumG2
Trang 30Trường Đại học Bách Khoa Trang 15 Giải pháp phân tích sức chịu tải của móng giếng chìm này được thể hiện xuyên suốt nghiên cứu, với các kết quả được phân tích được trình bày Các thơng số được kể đến là bề rộng của móng, hệ số lực dính, và tỉ số sức chống cắt từ thí nghiệm kéo nén 3 trục
Hình 1.17: Tiêu chuẩn phá hoại AUS
10 Tranh luận móng giếng chìm cho móng nơng dưới tác dụng của các loại tải (Mana, D.S., Gourvenec, S., Martin, C.M., năm 2013)
Một nghiên cứu khác của nhóm các tác giả gồm Mana và các cộng sự là “Critical skirt spacing for shallow foundations under general loading” [24] đã đề cập đến phân tích giới hạn phần tử hữu hạn cho móng giếng chìm dưới tác dụng của những loại tải cơ bản
Các loại tải được xét đến là tải đứng, ngang, và mô men, cùng với thông số chiều sâu
chơn móng d/B lấy từ 5% đến 50% của bề rộng móng Nghiên cứu chỉ ra tầm quan trọng
Trang 31Trường Đại học Bách Khoa Trang 16
Hình 1.18: Sự dịch chuyển móng giếng chìm ứng với các trường hợp tải
11 Phân tích số cho sự phát triển phá hoại của móng giếng chìm trên nền đất cát, sử dụng phương pháp Lagrangian-SPH kết hợp (Zhuang Jin, Zhen-Yu Yin, Panagiotis Kotronis, và Yin-Fu Jin, năm 2018)
Móng giếng chìm được nghiên cứu rất nhiều và ứng dụng vào các loại kết cấu móng ngoài khơi Tuy nhiên việc hiểu biết và khảo sát một cách đúng đắn trong suốt q trình thi cơng và những ngoại lực sau khi thi cơng xong thì rất ít Chính vì vậy, năm 2018, Jin và các cộng sự đã trình bày nghiên cứu “Numerical investigation on evolving failure of caisson foundation in sand using the combined Lagrangian-SPH method” [25] tập trung vào sự phát triển phá hoại trong móng giếng chìm trên nền cát bằng những mơ hình số phát triển Phương pháp Lagrangian-SPH được sử dụng để giải quyết những phân tích chuyển vị lớn
Hình 1.19: Kích thước hình học của bài tốn móng giếng chìm trong nghiên cứu này
Trang 32Trường Đại học Bách Khoa Trang 17
Hình 1.20: Diện tích mặt trượt của các loại tải
11 Sức chịu tải của móng giếng chìm dưới tác dụng của các loại tải trên nền sét (Dengfeng Fu, Youhu Zhang, Yue Yan, năm 2020)
Hình 1.21: Những loại móng giếng chìm mới
Trang 33Trường Đại học Bách Khoa Trang 18 Yan đã nghiên cứu một loại móng giếng chìm mới, với hình dạng khác so với móng giếng chìm trịn thơng thường Nghiên cứu tiến hành tính tốn sức chịu tải của móng này trên nền sét dưới tác dụng của các loại tải bằng phương pháp phần tử hữu hạn 3D
12 Ước lượng độ lệch của tường chắn đất do hố đào sâu trên nền sét khơng đẳng hướng có áp dụng phương pháp tổng hợp những thuật toán (Runhong Zhang, Chongzhi Wu, AnthonyT.C Goh, Thomas Bohlke, Wengang Zhang, năm 2020)
Trong nghiên cứu “Estimation of diaphragm wall deflections for deep braced excavation in anisotropic clays using ensemble learning” [27], Zhang và các cộng sự đã tổng hợp các phương pháp học máy đã được ứng dụng trong các vấn đề địa kỹ thuật Trong đó, tác giả đã ứng dụng các phương pháp học máy này trong việc phân tích chuyển vị của tường chắn đất cho hố đào sâu trên nền sét không đẳng hướng
Kết hợp với việc sử dụng mơ hình đất NGI-ADP trong phần mềm Plaxis cùng với đó các phương pháp học máy gồm phương pháp tổng hợp máy học (ELMs), bao gồm XGBoost, hồi qui rừng ngẫu nhiên (RFR) dùng để dự đoán chuyển vị lớn nhất của tường
chắn đất δhmax
Hơn thế nữa, thuật toán ELMs còn được so sánh, đối chiếu với các thuật tốn khác nhằm làm tăng tính đúng đắn cho nghiên cứu, gồm các thuật toán hồi qui cây quyết định (DTR), Hồi qui mạng truyền thẳng (MLPR), và hồi qui thích ứng đa biến đa chiều (MARS)
Trang 34Trường Đại học Bách Khoa Trang 19
Hình 1.23: Phương pháp MLPR
Trang 35Trường Đại học Bách Khoa Trang 20
Hình 1.25: Kết quả độ quan trọng của các thông số sử dụng phương pháp XGBoost
CÁC NGHIÊN CỨU TRONG NƯỚC
Hiện tại, trong nước vẫn ít các cơng bố và nghiên cứu về ứng xử của móng giếng chìm trong nền sét không đồng nhất, không đẳng hướng Nhưng đã có một số nghiên cứu sử dụng các mơ hình mạng thân kinh nhân tạo cho những vấn đề khoa học kỹ thuật khác
NHẬN XÉT
Chương 1 đã trình bày một số nghiên cứu cơ sở về móng giếng chìm, các nghiên cứu này đã cung cấp những dữ liệu tổng quan có thể tham khảo, cần thiết để nghiên cứu có mở rộng vấn đề phân tích sức chịu tải của móng giếng chìm trên nền sét không đồng nhất và không đẳng hướng
Trang 36Trường Đại học Bách Khoa Trang 21
CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 TỔNG QUAN VỀ KẾT CẤU MĨNG GIẾNG CHÌM
2.1.1 Cấu tạo móng giếng chìm
Nền móng là các yếu tố cấu trúc truyền tải trọng từ tòa nhà hoặc các cột riêng lẻ xuống đất Nếu các tải trọng này phải được truyền đi đúng cách, nền móng phải được thiết kế để ngăn ngừa lún hoặc xoay quá mức, để giảm thiểu độ lún chênh lệch và đảm bảo an tồn chống trượt và lật Cần có móng để phân phối tải trọng của kết cấu thượng tầng trên một khu vực lớn hơn sao cho đất bên dưới không bị trượt và độ lún nằm trong giới hạn an tồn Nền móng phải chịu tải trọng thẳng đứng, tải trọng ngang và mômen Tất cả các cấu trúc được hỗ trợ bởi các nền tảng phù hợp Do đó, nền móng là một liên kết kết nối giữa cấu trúc thích hợp và nền đất hỗ trợ nó
Móng giếng chìm là loại móng rất phù hợp và kinh tế cho các cấu trúc đối xứng như silo, tháp giải nhiệt, ngăn khói, tháp truyền dẫn, trạm radar, ăng ten TV, ống khói, trụ cầu, trạm dừng ngầm, tháp nước, hầm chứa chất lỏng và mỏ, so với các hình dạng hình học khác của móng, chẳng hạn như móng băng, hình chữ nhật, hình vng và hình trịn Các móng giếng chìm cho phép giảm lượng vật liệu được sử dụng và chi phí xây dựng Móng giếng chìm thường được sử dụng cho các kết cấu lớn và cao để chống lại tải trọng bên và tăng độ ổn định chống lật
Trong thiết kế nền móng giếng chìm, phải đơn giản hóa rất nhiều chi tiết Do đó, việc xây dựng một quy trình hợp lý và thực tế để ước tính khả năng chịu lực của móng giếng chìm là rất quan trọng
Móng giếng chìm đặc trưng bởi kích thước móng, với thơng số bán kính móng (D) và chiều dài móng (L) Các tham số không thứ nguyên được xem xét bao gồm tỷ số giữa bán kính móng và chiều dài móng, tức là tỷ lệ bán kính trên chiều dài móng, tham số chảy và chỉ số cường độ địa chất của đất nền, trong đó tác động của các tham số không thứ nguyên này đến hệ số sức chịu tải được khảo sát
Một tham số cao hoặc một chỉ số cường độ địa chất cao sẽ mang lại một giá trị cao của hệ số khả năng chịu lực Mặc dù có những điểm giống nhau giữa móng trịn và móng giếng chìm, nhưng ứng xử của chúng khác nhau ở một số khía cạnh như chịu lực sự phân bố ứng suất dưới đáy móng và độ lún
Trang 37Trường Đại học Bách Khoa Trang 22
Hình 2.1: Cấu tạo và phân loại móng giếng chìm
Hình 2.2: Ngun lý hút nước trong thi cơng móng giếng chìm
2.1.2 Móng giếng chìm trong thực tế
Trang 38Trường Đại học Bách Khoa Trang 23
Hình 2.3: Móng giếng chìm được dùng cho phần móng của tháp làm mát
Trang 39Trường Đại học Bách Khoa Trang 24
Trang 40Trường Đại học Bách Khoa Trang 25
Hình 2.6: Móng giếng chìm cho các cơng trình cầu
2.2 KHÁI NIỆM VỀ NỀN SÉT KHÔNG ĐỒNG NHẤT, KHÔNG ĐẲNG HƯỚNG 2.2.1 Nền sét
Địa chất ở nước ta rất phong phú đa dạng, với nhiều loại đất phân bố ở những khu vực khác nhau Trong đó có thể kể đến là nền đất sét, loại đất tương đối phổ biến, tìm thấy ở hầu hết các tỉnh thành
Đất sét hay sét là một thuật ngữ được dùng để miêu tả một nhóm các khống vật phyllosilicat nhơm ngậm nước, thơng thường có đường kính hạt nhỏ hơn 2 μm Đất sét bao gồm các loại khoáng chất phyllosilicat giàu các ơxít và hiđrơxít của silic và nhơm cũng như bao gồm một lượng lớn nước tham gia vào việc tạo cấu trúc và thay đổi theo từng loại đất sét
Đất sét nói chung được tạo ra do sự phong hóa hóa học của các loại đá chứa silicate dưới tác động của axit cacbonic nhưng một số loại đất sét lại được hình thành do các hoạt động thủy nhiệt Như vậy sự hình thành các mỏ cao lanh và đất sét là do chịu sự tác dụng tương hổ của các q trình hố học, cơ học, sinh vật học bao gồm các hiện tượng phong hố, rửa trơi và lắng đọng trong thời gian dài
Đất sét trong tự nhiên tồn tại ở một số dạng chính như:
• Loại sét vàng, đỏ, có khi xám đen, pha đất thịt và cát mịn ở các cồn • Loại sét xám xanh nằm ở khu vực nước lợ, có độ nhớt cao