Đang tải... (xem toàn văn)
Việt Nam là một trong những quốc gia đông dân nhất thế giới với hơn 90 triệu người. Dân cư tập trung quá đông đúc trong các thành phố lớn đã khiến không gian sống, giao thông trở lên quá tải. Bài viết này sẽ đề cập đến việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong phân tích ổn định của công trình ngầm.
ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY TRONG TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH ĐƯỜNG HẦM HOÀNG THỊ LỤA* Application of reliability theory in analyzing tunnel stability Abstract: The purpose of this paper is to analysis the stability of tunnel by using reliability theory method In this paper, the author first has developed a fault tree, then selected some common failure cases for detailed calculations Three selected case were: Tunnel was instable due to the stress exceeds the allowable value; Tunnel was instable because of buoyant force; Tunnel subsidance exceeds the allowable subsidence In each case, the author has built reliability functions, selected random variables, studied the regularity of the distribution funtion of random variables and finally calculated incident probability Consequently, incident probability of each case as well as general incident probability of tunnel was calculated The effect of each variable to structure stability was also calculated Keywords: Reliability theory, tunnel stability GIỚI THIỆU CHUNG * Việt Nam quốc gia đông dân giới với 90 triệu ngƣời Dân cƣ tập trung đông đúc thành phố lớn khiến không gian sống, giao thông trở lên tải Việc phát triển cơng trình ngầm biện pháp hợp lý cần thiết để đáp ứng mật độ cao dân số Cơng trình ngầm thƣờng có đặc điểm kéo dài mở rộng qua vùng có tải trọng khác nhau, điều kiện địa chất khác yếu tố lại dao động, biến đổi theo thời gian Tuy nhiên, tính tốn thiết kế, phƣơng pháp truyền thống thƣờng chọn vài giá trị đặc trƣng thơng số để tính toán mà chƣa xét đến dao động, biến đổi tiêu nói Do đó, kết tính tốn số trƣờng hợp chƣa phù hợp Phƣơng pháp lý thuyết độ tin cậy (hay gọi phƣơng pháp thiết kế ngẫu nhiên) * Khoa Cơng trình - Đại học Thủy lợi 175 Tây Sơn - Đống Đa - Hà Nội DĐ: 0912723376 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 phƣơng pháp thiết kế dựa sở toán xác suất thống kế để phân tích tƣơng tác biến ngẫu nhiên tải trọng sức chịu tải chế phá hoại theo giới hạn làm việc cơng trình Trong thiết kế ngẫu nhiên, tất chế phá hỏng đƣợc mơ tả mơ hình tốn mơ hình mơ tƣơng ứng Tính tốn xác suất phá hỏng phận kết cấu công trình đƣợc dựa hàm độ tin cậy chế phá hỏng Hàm độ tin cậy đƣợc thiết lập dựa vào trạng thái giới hạn tƣơng ứng với chế phá hỏng tƣơng ứng hàm nhiều biến tham số ngẫu nhiên Do kết tính tốn từ phƣơng pháp độ tin cậy cho xác suất phá hỏng chế đơn lẻ mà cho biết mức độ ảnh hƣởng biến ngẫu nhiên tổng hợp cho ta xác suất cuối hệ thống xem xét Trên giới, thiết kế theo xác suất an toàn cho phép đƣợc nghiên cứu đƣa vào ứng dụng từ lâu Ở Việt Nam, lý thuyết độ tin cậy đƣợc đƣa vào chƣơng trình giảng dạy số trƣờng đại học đƣợc nghiên cứu lĩnh vực xây dựng cơng trình thủy Bài báo đề cập đến việc ứng dụng lý thuyết độ tin cậy phân tích ổn định cơng trình ngầm CƠ SỞ LÝ THUYẾT CỦA PHƢƠNG PHÁP 2.1 Tóm tắt sở lý thuyết Để xem xét đƣợc mức độ an toàn thành phần , ngƣời ta thành lập hàm tin cậy có dạng tổng quát nhƣ sau: Z = R-S (2.1) Với: + R – Độ bền hay khả kháng hƣ hỏng; + S – Tải trọng hay khả gây hƣ hỏng Theo đó, Z0, Z=0 ranh giới vùng an tồn khơng an tồn Xác suất phá hỏng chế đƣợc xác định xác suất xảy Z0) = 1-Pf - Tiếp cận xác suất cấp độ II cấp độ III, phƣơng pháp tiếp cận ngẫu nhiên Trong đó, cấp độ II sử dụng phƣơng pháp gần để biến đổi quy luật phân bố tải trọng sức chịu tải hàm phân bố chuẩn, sử dụng phƣơng pháp xác suất gần tính tốn Đối với mức độ III, hàm phân bố biến đƣợc giữ nguyên quy luật phân bố tính tốn khơng sử dụng phƣơng pháp gần đúng, ngẫu nhiên hồn tồn Bài báo trình bày toán cấp độ II(*) [2] 2.2 Các chế phá hoại đƣờng hầm Có nhiều nguyên nhân dẫn đến ổn định đƣờng hầm Các giai đoạn khác có hình thức ổn định khác Từ tài liệu [5],[7] thu thập đƣợc cố cơng trình xảy ra, tác giả phân chia nhóm cố nhƣ bảng Và theo đó, cơng trình xảy cố lỗi hƣ hỏng xảy đoạn hầm Bảng Các dạng cố hầm nguyên nhân S Z=0 Biên cố Dạng cố Z0 Vùng an tồn R Hình Hàm tin cậy mặt phẳng RS [2] Hàm xác suất đƣợc giải theo mức độ tiếp cận nhƣ sau: - Tiếp cận mức độ xác suất cấp độ 0, mức độ phƣơng pháp thiết kế truyền thống, sử dụng hệ số an toàn để đánh giá - Tiếp cận mức độ xác suất cấp độ I, mức độ thiết kế bán xác suất, sử dụng nhiều hệ số an toàn để đánh giá ổn định (phƣơng pháp trạng thái giới hạn) Nguyên nhân Ứng suất vƣợt mức cho phép Sụt đổ hầm Bản đáy bị đẩy bục Lún cục Đoạn hầm bị đẩy Điều kiện đất đá không ổn định Điều kiện nƣớc ngầm thay đổi Phá hủy Mất đất thi công mặt đất Chiều dày lớp phủ nhỏ Tải trọng vƣợt mức cho phép Lỗi thiết bị chống thấm Nƣớc chảy Nƣớc ngầm có áp lớn vào hầm Mực nƣớc ngầm thay đổi Các dạng cố khác Trong khuôn khổ báo này, tác giả phân tích ổn định cơng trình nguyên nhân trình vận hành thƣờng gặp là: đƣờng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 hầm bị đẩy nổi, đƣờng hầm bị lún mức cho phép làm liên kết đốt hầm đƣờng hầm bị phá hoại vỏ ứng suất vƣợt mức cho phép 2.3 Xây dựng hàm tin cậy Z cho chế phá hoại Xây dựng hàm Z cho chế ứng suất vƣợt ứng suất giới hạn, phá hỏng cục vỏ hầm Hàm tin cậy chế phá hỏng đƣợc biểu diễn thông qua hàm trạng thái giới hạn công thức (2-2): (2-2) * Trong đó: + – Ứng suất tới hạn gây hƣ hỏng cơng trình [T/m2], xác định dựa vào cƣờng độ kéo, nén tiêu chuẩn vật liệu xây dựng vỏ hầm; + σ – Ứng suất thực tế sinh vỏ hầm [T/m2], tính tốn thơng qua nội lực, nội lực đƣợc tính từ ngoại tác dụng lên vỏ hầm; Xây dựng hàm tin cậy Z cơa hầm 10 11 Tên ρw Dung trọng riêng nƣớc T/m ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 Hàm tin cậy có dạng phi tuyến với biến ngẫu nhiên phân bố chuẩn hàm giải phƣơng trình tốn xác suất Tuy nhiên, giải phƣơng trình phức tạp nên tác giả sử dụng công cụ hỗ trợ phần mềm VAP với phƣơng pháp form để tính tốn Kết xác định đƣợc xác suất xảy cố hệ số ảnh hƣởng biến ngẫu nhiên đến chế phá hoại ứng suất vƣợt giới hạn cho phép điểm nhƣ bảng Bảng Xác suất cố ảnh hƣởng biến ngẫu nhiên đến chế ứng suất vƣợt mức cho phép Điểm Xác suất cố AT 0,0531 AN 1,06E-07 BT 3,21E-10 BN 1,29E-05 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 Phân phối ảnh hƣởng biến đến kết (%) Điểm CT CN Xác suất cố Phân phối ảnh hƣởng biến đến kết (%) 0,0868 2,44E-05 Trƣờng hợp ổn định đoạn hầm bị đẩy Nhận xét với chế phá hoại này, mức độ an toàn đƣờng hầm phụ thuộc phần lớn vào đƣờng kính hầm, yếu tố nhƣ trọng lƣợng cột đất hầm, mực nƣớc ngầm có ảnh hƣởng lớn Trong toán ta kiểm tra cho đƣờng hầm có sẵn đƣờng kính nên khơng xét đƣợc ảnh hƣởng kích thƣớc hầm Các trƣờng hợp nguy hiểm chế phá hoại mực nƣớc ngầm dâng cao, khơng có tải trọng bề mặt trƣờng hợp bề mặt đất bị giảm tải nguyên nhân nhƣ đào móng cơng trình Hàm tin cậy chế nêu: (2-3) Trong đó: Tổng lực giữ: Với: + : Trọng lƣợng thân + Trọng lƣợng hiệu cột đất đè hầm Tổng lực đẩy tác dụng lên đoạn hầm: Với: + – Khối lƣợng riêng nƣớc [T/m3]; + – Thể tích hầm chốn chỗ nƣớc, tính cho 1m dài hầm [m3] Cuối ta thu đƣợc hàm Z: Các đại lƣợng hàm Z giá trị chúng đƣợc giải thích bảng danh sách biến cố định bảng biến ngẫu nhiên bảng Bảng Danh sách biến cố định theo chế đẩy đƣờng hầm STT Kí hiệu Tên g Rng H1 H2 H3 Trọng lƣợng 1m theo chu vi ngồi hầm Bán kính ngồi hầm Chiều dày lớp đất A đỉnh hầm Chiều dày lớp đất B đỉnh hầm Chiều dày lớp đất C đỉnh hầm 10 Đơn vị T/m m m m m Giá trị 7,16 3,325 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 1-2017 Bảng Danh sách biến ngẫu nhiên theo chế đẩy hầm Ký hiệu Mô tả biến ngẫu nhiên Đơn vị Luật phân phối Đặc trƣng thống kê Kỳ vọng Độ lệch ρ1 Khối lƣợng riêng tự nhiên lớp A T/m3 nor 1,6 0,16 ρ1 ’ Khối lƣợng riêng hiệu lớp A T/m3 nor 0,6 0,06 ρ2 ’ Khối lƣợng riêng hiệu lớp B T/m3 nor 1,0 0,1 ρ3 ’ Khối lƣợng riêng hiệu lớp C T/m3 nor 1,008 0,1 hw Chiều cao cột nƣớc tính từ đỉnh hầm đến mực nƣớc ngầm m nor 7,8 0,4 ρw Khối lƣợng riêng nƣớc T/m3 nor 0,065 Kết tính tốn xác suất xảy cố P(Z1-1