1

CHÖÔNG 1

KHAÙI QUAÙT VEÀ COÂNG TRÌNH BIEÅN 1.1 Khaùi nieäm veà Coâng trình bieån.

Coâng trình bieån ñöôïc hieåu laø caùc coâng trình xaây döïng caùch xa bôø bieån. Ngoaøi taûi troïng baûn thaân vaø caùc hoaït taûi, chuùng coøn chòu caùc taûi troïng cuûa moâi tröôøng bieån, chuû yeáu do gioù, soùng vaø doøng chaûy gaây ra.

Nhö vaäy coâng trình bieån laø thuaät ngöõ chung ñeå chæ caùc coâng trình chòu taûi troïng coù cuøng baûn chaát, ñöôïc giöõ vaøo ñaùy bieån bôûi troïng löïc, coïc hoaëc neo, ñöôïc duøng vaøo nhöõng muïc ñích khaùc nhau, maëc duø hieän nay chuû yeáu ñöôïc duøng trong coâng nghieäp daàu khí.

Caùc coâng trình bieån cuõng ñöôïc goïi laø coâng trình theàm luïc ñòa.

Ta caàn phaân bieät coâng trình bieån vôùi coâng trình ven bôø.

1.2 Ñaëc ñieåm cuûa coâng trình bieån

Coâng trình bieån ñöôïc xaây döïng caùch xa bôø bieån (ngoaøi khôi). Do khoâng theå cheá taïo coâng trình bieån taïi vò trí xaây döïng ôû ngoaøi khôi vì khoâng coù maët baèng neân phaûi cheá taïo töø caùc modun rieâng bieät treân bôø. Sau ñoù vaän chuyeån ra vò trí xaây döïng vaø tieán haønh laép raùp.

Coâng trình bieån chòu taùc ñoäng raát maïnh meõ cuûa moâi tröôøng: Chòu taûi troïng do soùng, gioù (ñaây laø caùc taûi troïng coù tính chu kyø neân chuùng gaây ra hieän töôïng moûi ñoái vôùi caùc keát caáu theùp). Ngoaøi ra coâng trình bieån coøn bò aên moøn maïnh bôûi moâi tröôøng vaø sinh vaät bieån.

Chuû yeáu caùc coâng trình bieån ñöôïc xaây döïng ôû nôi coù ñoä saâu lôùn (töø vaøi chuïc ñeán vaøi traêm meùt) neân vieäc thi coâng raát khoù khaên. Khoái löôïng thi coâng voâ cuøng lôùn

1.3 Phaân loaïi coâng trình bieån.

1.3.1 Theo coâng duïng.

2

1. Phuïc vuï daân duïng

Coâng trình phuïc vuï thaêm doø, khai thaùc daàu khí.

3

Haûi ñaêng.

Thaùp daãn ñöôøng voâ tuyeán.

4

2. Phuïc vuï quoác phoøng

Caùc coâng trình ñöôïc trang bò heä thoáng raña ñeå phaùt hieän maùy bay, taàu thuûy.

5

6

1.3.2 Theo keát caáu

Trong vaøi chuïc naêm trôû laïi ñaây, coâng nghieäp khai thaùc daàu – khí treân theàm luïc ñòa ngaøy caøng phaùt trieån maïnh ôû nhieàu nöôùc treân theá giôùi.

Ñeå taïo ra saøn coâng taùc treân maët bieån khôi coù ñoä saâu töø haøng chuïc ñeán haøng traêm meùt vôùi caùc thieát bò phuïc vuï cho vieäc khoan khai thaùc daàu khí, ngöôøi ta ñaõ thieát keá xaây döïng caùc coâng trình chuyeân duïng, ta taïm goïi laø giaøn khoan bieån. Nhöõng coâng trình naøy, tuøy theo keát caáu, ñöôïc phaân loaïi nhö sau:

1. Giaøn khoan coá ñònh.

Giaøn nheï baèng theùp: bao goàm nhieàu phaàn töû oáng haøn laïi vôùi nhau, phía treân laø saøn, coøn phía döôùi laø caùc coïc ñöôïc ñoùng saâu xuoáng neàn hay ñaùy bieån. Caùc taûi troïng treân saøn cuõng nhö taûi troïng cuûa moâi tröôøng ñöôïc truyeàn xuoáng neàn qua caùc chaân ñeá; caùc chaân ñeá ñöôïc noái vôùi nhau baèng caùc oáng giaèng, chuû yeáu ñeå chòu caùc löïc ngang, taïo thaønh moät khoái chaân ñeá. Giaøn coá ñònh ñöôïc duøng chuû yeáu ôû vuøng nöôùc noâng, coù raát ít giaøn kieåu naøy ôû vuøng nöôùc saâu hôn 100m.

Giaøn troïng löïc: Thöôøng duøng caùc thuøng chìm raát lôùn laøm chaân ñeán, treân ñoù coù 3÷4 coät ñôõ saøn. Phaàn saøn thöôïng taàn laø keát caáu theùp daïng hoäp hoaëc daïng khung. Vôùi thieát keá naøy seõ giaûm ñöôïc ñaùng keå troïng löôïng baûn thaân cuûa giaøn khi di chuyeån treân bieån, coù theå laép ñaët saün ñöôïc nhieàu thieát bò tröôùc khi di chuyeån treân bieån neân ruùt ngaén thôøi gian laép döïng ngoaøi bieån. Nhôø troïng löôïng baûn thaân giaøn vaø cuûa chaát loûng chöùa trong caùc thuøng chìm maø keát caáu giöõ ñöôïc tính oån ñònh khoâng caàn neo giöõ hoaëc ñoùng coïc.

7

� Keát caáu choáng baêng.

� Keát caáu troïng löïc.

8

� Keát caáu nöôùc saâu.

Thöôøng coù moät chaân kieåu giaøn raát daøi, ñöôïc giöõ oån ñònh baèng caùc sôïi caùp neo.

2. Giaøn khoan di ñoäng.

� Giaøn töï naâng.

Giaøn töï naâng goàm 3 ÷ 4 chaân coù khaû naêng naâng haï. Trong quaù trình khoan, caùc chaân ñöôïc haï xuoáng töïa vaøo ñaùy bieån, coøn saøn coâng taùc ñöôïc naâng leân khoûi maët nöôùc. Baûn thaân saøn coâng taùc laø moät keát caáu voû kín nöôùc coù tính noåi vaø tính oån ñònh. Khi di chuyeån treân maët bieån, caùc chaân ñeá ñöôïc naâng leân vaø saøn ñöôïc haï xuoáng maët nöôùc roài

9

duøng taøu keùo ñeå rôøi choã. Giaøn töï naâng thöôøng ñöôïc duøng laøm giaøn khoan.

� Giaøn nöûa chìm.

Giaøn nöûa chìm goàm nhöõng voû kín chieám nöôùc côõ lôùn, treân ñoù laø nhöõng coät ñôõ saøn. Hình

daïng cuûa saøn coù theå laø vuoâng, chöõ nhaät hoaëc tam giaùc. Cuõng coù theå chæ coù moät coät ñôõ saøn gaén vôùi caùc thuøng nöûa chìm côõ lôùn ñaët thaúng ñöùng. Tröôøng hôïp coù nhöõng daõy coät thì caùc coät ñöôïc noái vôùi nhau baèng nhöõng thanh giaèng daïng oáng kích thöôùc nhoû hôn. Caùc thuøng nöûa chìm ñöôïc ñònh vò baèng heä daây neo thoâng thöôøng, heä daây caêng hoaëc heä ñònh vò ñoäng löïc. Heä neo thöôøng goàm töø 6 ÷ 12 daây coù neo ôû ñaàu.

� Giaøn coù chaân keùo.

Giaøn coù chaân keùo hay coøn goïi laø giaøn neo ñöùng cuõng thuoäc kieåu nöûa chìm, nhöng ôû ñaây löïc ñaåy noåi lôùn hôn toång troïng löôïng baûn thaân vaø do ñoù caàn coù nhöõng daây neo caêng thaúng ñöùng chöùa trong caùc oáng theùp ñeå giöõ giaøn vôùi ñaùy bieån. Noùi chung kieåu keát caáu nöûa chìm thöôøng ñöôïc söû duïng laøm giaøn khoan thaêm doø, ñöôïc bieät ôû vuøng nöôùc saâu.

10

3. Caùc coâng trình khaùc

Coâng trình bieån cuõng bao goàm caùc loaïi:

Caàn truïc noåi.

Thaùp buoäc kho noåi hoaëc xöôûng noåi.

Chaân neo ñôn.

Xöôûng noåi baèng beâ toâng coát theùp.

Thaùp noåi buoäc taøu treân bieån.

Phao noåi buoäc kho noåi.

TAØI LIEÄU THAM KHAÛO: 1. Design of Offshore Concrete Structures - Ivar Holand. 2. Construction of Marine and Offshore Structures, Third Edition - Ben C. Gerwick. 3. API. 4. Coâng trình bieån coá ñònh – Nguyeãn Höõu Baèng.

1

CHÖÔNG 2

CAÁU TAÏO GIAØN KHOAN COÁ ÑÒNH 2.1 Tình hình thieát keá xaây döïng giaøn khoan coá ñònh.

Vôùi yeâu caàu xaây döïng caùc coâng trình khai thaùc daàu treân bieån, töø naêm 1938, Lieân xoâ cuõ ñaõ xaây döïng caùc giaøn khoan ñaàu tieân treân bieån Ban-tích. Ñoä saâu 4,3m, caùch xa bôø chöa tôùi 2km, keát caáu giaøn baèng goã.

Naêm 1947 giaøn baèng theùp ñaàu tieân ñöôïc Myõ xaây döïng treân vònh Mec-xích ñaït ñoä saâu 6,1m, naëng gaàn 1100T. Caùc coâng trình tieáp theo ñaõ ñaït ñoä saâu 15,0m.

Nhöõng naêm 1960, ñoä saâu ñaõ ñaït 90m vaø lôùn hôn, chuû yeáu laø keát caáu chaân ñeá kieåu giaøn.

Töø cuoái naêm 1970, ñoä saâu ñaõ ñaït tôùi 311m.

Hieän nay treân theá giôùi ngöôøi ta chuû yeáu duøng loaïi keát caáu chaân ñeá baèng theùp kieåu giaøn. Tuy gaëp nhieàu khoù khaên trong kyõ thuaät nhöng daïng keát caáu naøy vaãn ñöôïc öa duøng, chieám ñeán 50% giaøn khoan coá ñònh.

2.2 Nhöõng yeâu caàu chung veà caáu taïo.

Giaøn coá ñònh thöôøng goàm 3 boä phaän

1. Keát caáu beân treân: chöùa caùc moâñun coâng taùc nhö nhaø sinh hoaït, caùc phoøng chöùa thieát bò khoan, thieát bò saûn xuaát, caàn truïc quay, giaøn daãn khí ñoàng haønh.

2. Khoái chaân ñeá: laø boä phaän keát caáu chính ñôõ keát caáu beân treân.

3. Moùng.

Caáu taïo coâng trình giaøn khoan caàn phaûi thoûa maõn caùc yeâu caàu sau ñaây:

1. Thoûa maõn chöùc naêng khai thaùc. Keát caáu giaøn khoan coá ñònh phaûi coù kích thöôùc khoáng cheá nhoû nhaát maø vaãn thoûa maõn caùc yeâu caàu veà ñoä beàn, ñoä oån ñònh, thöïc hieän ñöôïc caùc chöùc naêng khai thaùc. Ñaûm baûo ñieàu kieän söû duïng bình thöôøng vaø an toaøn trong suoát thôøi gian khai thaùc, thuaän tieän cho vieäc kieåm tra, söûa chöõa, tieåu tu.

2. Thoûa maõn ñieàu kieän kinh teá: Soá löôïng vaø kích thöôùc caùc khoái giaøn chaân ñeá vaø caùc keát caáu beân treân cuõng phaûi nhoû nhaát ñeå sao cho tieâu toán ít vaät lieäu nhaát, thôøi gian thi coâng nhanh nhaát.

3. Thoûa maõn ñieàu kieän thi coâng: Kích thöôùc vaø troïng löôïng khoái giaøn chaân ñeá vaø caùc moâñun beân treân phaûi phuø hôïp vôùi ñieàu kieän thi coâng nhö cheá taïo, laép gheùp, vaän chuyeån vaø ñaùnh chìm chaân ñeá.

- Chieàu daøi khoâng ñöôïc vöôït quaù khaû naêng vaän chuyeån cuûa caùc thieát bò chuyeân chôû.

2

- Troïng löôïng töøng moâñun vaø toång troïng löôïng khoái giaøn khoâng ñöôïc vöôït quaù söùc naâng cuûa caàn caåu vaø khoâng vöôït quaù aùp löïc cho pheùp treân maët baõi, maët ñöôøng tröôït vaø maët beán.

- Chaân ñeá phaûi coù caáu taïo sao cho khi haï vaøo trong nöôùc bieån noù phaûi coù ñoä töï noåi nhaát ñònh, luùc aáy nhôø caàn truïc noåi vaø caùch caân baèng nöôùc cuûa töøng phaân ñoaïn laøm cho chaân ñeá ñöôïc giöõ ôû vò trí thaúng ñöùng vaø haï daàn xuoáng ñaùy bieån.

4. Giaûi phaùp keát caáu vaø boá trí giaøn khoan leân ñaùy bieån sao cho coâng trình chòu taùc ñoäng cuûa moâi tröôøng caøng nhoû caøng toát trong höôùng taùc ñoäng cuûa soùng gioù lôùn nhaát. (Höôùng coù ñoä cöïng lôùn nhaát phaûi truøng vôùi höôùng taùc ñoäng lôùn nhaát).

Boá trí caùc thieát bò vaø caùc boä phaän ôû keát caáu bieân treân phaûi phuø hôïp vôùi chöùc naêng coâng ngheä cuûa giaøn. Khoái nhaø ôû phaûi boá trí treân höôùng gioù thoáng trò. Caùc thaùp khoan, thaùp ñeøn boá trí döôùi höôùng gioù thoáng trò.

Choïn keát caáu giaøn khoan coá ñònh, keå caû phaàn moùng, treân cô sôû laäp nhieàu phöông aùn vaø xem xeùt ôû caùc maët sau:

- Caùc yeâu caàu veà khoan, khai thaùc vaø söûa chöõa loã khoan.

- Caùc yeâu caàu veà khai thaùc, laép raùp vaø thaùo dôõ taäp hôïp caùc thieát bò coâng ngheä ñang ñöôïc duøng treân saøn coâng taùc.

- Caùc yeâu caàu veà tieát kieäm theùp, haï giaù thaønh vaø ruùt ngaén thôøi gian thi coâng.

2.3 Caáu taïo khoái giaøn.

2.3.1 Caáu taïo 1 khoái giaøn:

OÁng laø phaàn töû keát caáu thích hôïp nhaát cho caùc giaøn ngoaøi khôi. Do heä soá caûn thaáp neân taûi troïng soùng gaây ra treân caùc phaàn töû oáng laø töông ñoái nhoû. Do tính chaát hình hoïc cuûa maët caét troøn neân phaàn töû oáng coù öùng suaát taäp trung nhoû nhaát, chòu xoaén vaø oån ñònh toát nhaát, khoâng nhaïy caûm vôùi taûi troïng höôùng ngang, phaàn töû oáng laøm cho troïng löôïng giaøn nhoû, ñoä cöùng ngang lôùn.

Caùc oáng caáu taïo giaøn coù theå chia thaønh oáng chính vaø oáng giaèng.

OÁng chính laø nhöõng oáng coù ñöôøng kính lôùn nhaát trong giaøn. OÁng naøy chaïy suoát töø ñænh giaøn xuoáng chaân giaøn. Ñaây laø boä phaän chòu löïc chính cuûa giaøn. Trong loøng oáng chính coù ít nhaát 1 coïc ñoùng xuyeân qua. OÁng chính naøy coù theå coù ñoä nghieâng hoaëc thaúng ñöùng. Ñoä nghieâng cuûa coïc khoâng neân vöôït quaù 7:1. Ñöôøng kính ngoaøi cuûa oáng chính coù kích thöôùc khoâng thay ñoåi treân suoát chieàu daøi oáng hoaëc coù ñöôøng kính khaùc nhau treân töøng ñoaïn.

OÁng giaèng coù ñöôøng kính nhoû hôn oáng chính vaø ñöôïc haøn vaøo oáng chính laøm taêng ñoä cöùng cho giaøn.

3

2.3.2 Soá löôïng khoái giaøn.

Tuøy quy moâ kích thöôùc cuûa giaøn khoan vaø ñieàu kieän cheá taïo maø ta löïa choïn soá löôïng khoái giaøn.

Duøng giaøn moät khoái khi yeâu caàu veà maët baèng saøn coâng ngheä nhoû. Giaøn coù moät khoái thi coâng deã nhöng khoái löôïng lôùn.

Giaøn 2 khoái coù khoái löôïng vaø kích thöôùc nhoû hôn giaøn 1 khoái (trong cuøng ñieàu kieän) nhöng thi coâng seõ phöùc taïp hôn.

4

Giaøn 4 khoái ñöôïc duøng khi kích thöôùc maët baèng saøn coâng ngheä yeâu caàu lôùn, ñieàu kieän thi coâng khoâng cho pheùp laøm 1 hoaëc 2 khoái giaøn.

Sô ñoà caáu taïo giaøn moät khoái

5

6

Sô ñoà caáu taïo giaøn hai khoái

7

Sô ñoà caáu taïo giaøn boán khoái

8

2.3.3 Keát caáu giaøn.

Giaøn ñöôïc caáu taïo töø caùc phaàn töû oáng taïo thaønh caùc maët phaúng:

- 4 maët giaøn xung quanh (goïi laø caùc panel caáu taïo neân khoái giaøn).

- Caùc giaøn giaèng ngang, thöôøng coù daïng hình chöõ nhaät ñeå laøm taêng ñoä cöùng cho khoái giaøn.

OÁng laø phaàn töû keát caáu thích hôïp nhaát cho caùc giaøn ngoaøi bieån. Do heä soá caûn thaáp neân taûi troïng soùng gaây ra treân caùc phaàn töû oáng laø töông ñoái nhoû. Do tính chaát hình hoïc cuûa maët caét troøn neân phaàn töû oáng coù öùng suaát taäp trung nhoû nhaát, chòu xoaén vaø oån ñònh toát nhaát vaø khoâng nhaïy caûm vôùi caùc taûi höôùng ngang. Ñieàu naøy raát coù yù nghóa trong moâi tröôøng bieån vì soùng gioù coù theå taùc duïng töø moïi phía. Tuy nhieân, caùc lieân keát vaø moái noái treân giaøn ngoaøi bieån thöôøng laø moái haøn neân söï khoâng lieân tuïc veà hình hoïc ôû ñoù seõ laøm öùng suaát ôû vuøng giao tuyeán taêng leân cao.

Ñeå lieân keát caùc phaàn töû oáng thaønh panel ngöôøi ta duøng phöông phaùp haøn. Söï khoâng lieân tuïc veà hình hoïc ôû caùc moái haøn laøm öùng suaát ôû vuøng giao tuyeán taêng leân raát cao.

Ñoä beàn moûi bò giaûm thaáp do öùng suaát taäp trung vaø khuyeát taät ôû moái haøn laø vaán ñeà quan troïng. Do ñoù khi thieát keá hoaëc kieåm tra moái haøn laø vaán ñeà quan troïng. Do ñoù khi thieát keá hoaëc kieåm tra moái noái oáng veà ñoä beàn moûi caàn phaûi döïa treân söï hieåu bieát veà ñoä lôùn cuûa öùng suaát cuïc boä vaø veø caùc yeáu toá aûnh höôûng tôùi öùng suaát cuïc boä.

2.3.4 Caùc loaïi moái noái oáng.

Caùc moái noái oáng caàn ñöôïc thieát keá theo öùng suaát cho pheùp vôùi taûi troïng tính toaùn tôùi haïn, töùc laø ñieàu kieän baõo 50 hay 100 naêm. Vaät lieäu phaûi haøn ñöôïc vaø coù ñoä beàn choáng phaù huûy doøn. Ñoàng thôøi caàn phaân tích moûi ñeå kieåm tra khaû naêng choáng phaù huûy moûi cuûa chuùng.

Hình daïng vaø kích thöôùc cuûa moái noái oáng thay ñoåi tuøy theo keát caáu vaø vò trí cuûa noù treân keát caáu. Moái noái oáng thöôøng goàm moät oáng chuû vaø caùc oáng giaèng. OÁng chuû thöôøng coù ñöôøng kính lôùn hôn vaø lieân tuïc ôû choã noái. Caùc oáng giaèng coù ñöôøng kính nhoû hôn vaø ñöôïc haøn vaøo oáng chuû, coù theå phaân loaïi moái noái thaønh:

- Caùc moái noái ñôn giaûn.

- Caùc moái noái choàng.

- Caùc moái noái phöùc taïp.

- Caùc moái noái baèng theùp ñuùc.

Ba loaïi sau coøn ñöôïc goïi laø caùc moái noái khoûe.

Moái noái ñôn giaûn thöôøng goàm caùc oáng naèm trong moät maët phaúng hay nhieàu maët phaúng. Caùc oáng giaèng ñöôïc haøn khoâng choàng chaân leân nhau vaø khoâng coù caùc bieän phaùp gia cöôøng.

Moái noái choàng: goàm caùc oáng giaèng ñöôïc haøn choàng chaân leân nhau ôû choã noái vaøo oáng chuû. Nhö vaäy moät phaàn taûi troïng ñöôïc truyeàn qua moái haøn chung. Keát quaû laø laøm giaûm löïc caét ñoät leân thaønh oáng chuû vaø giaûm ñoä oval cuûa oáng chuû.

9

Moái noái phöùc taïp: goàm caùc moái noái coù gia cöôøng beân trong hoaëc beân ngoaøi, coù vöõa nhoài vaø coù hình hoïc hay caùch thöùc truyeàn taûi phöùc taïp.

Moái noái theùp ñuùc: ñöôïc gia coâng baèng coâng ngheä ñuùc. Noù coù moät soá öu ñieåm so vôùi moái noái haøn thoâng thöôøng, vì coù theå taïo ñöôïc hình daïng toái öu ñeå giaûm öùng suaát taâp trung, ñaëc bieät laø phaàn chuyeån tieáp giöõa oáng chuû vaø oáng giaèng, vaø traùnh ñöôïc caùc moái haøn ôû vuøng coù öùng suaát taäp trung cao.

Ñuùc moái noái laø coâng ngheä thích hôïp cho saûn xuaát vôùi soá löôïng lôùn. Nhöng ngay caû khi xaây döïng giaøn ñôn chieác, ñuùc coù theå vaãn laø giaûi phaùp toát cho nhöõng moái noái coù hình hoïc phöùc taïp vaø ñoä daøy thaønh oáng quaù lôùn.

Sau ñaây ta seõ xeùt chi tieát hôn veà caùc moái noái oáng ñôn giaûn.

2.3.5 Moái noái oáng ñôn giaûn.

Tröø moät soá moái noái ôû maët beân, maët giaèng ngang hay ôû boä phaän keát caáu phuï laø moái noái phaúng, coøn haàu heát caùc moái noái ôû khoái chaân ñeá giaøn khoan bieån laø khoâng ñoàng phaúng. Tuy nhieân vôùi tình traïng hieåu bieát hieân nay, ngöôøi ta thöôøng tính toaùn hoaëc thöû nghieäm caùc moái noái phaúng ñôn giaûn kieåu K, T, Y, X v.v…, maø khoâng xeùt tôùi aûnh höôûng cuûa nhöõng oáng giaèng naèm ngoaøi maët phaúng ñang xeùt.

Chuù yù raèng vieäc phaân loaïi moái noái phaúng thuoäc kieåu naøo khoâng chæ döïa vaøo hình hoïc cuûa noù maø coøn vaøo caùch thöùc truyeàn taûi cuûa moái noái vaø phaûi xeùt rieâng töøng oáng giaèng.

10

Khi löïc doïc ôû moät oáng giaèng ñöôïc caân baèng veà cô baûn vôùi löïc doïc ôû oáng giaèng khaùc trong cuøng maët phaúng ôû cuøng moät phía cuûa oáng chuû thì oáng giaèng ñoù ñöôïc xem laø kieåu K.

Khi löïc doïc cuûa oáng giaèng taùc duïng nhö moät löïc caét leân oáng chuû thì oáng giaèng ñoù ñöôïc xem laø kieåu T (neáu vuoâng goùc vôùi oáng chuû) hoaëc kieåu Y (neáu khoâng vuoâng goùc vôùi oáng chuû).

Trong caùc moái noái kieåu X, caùc oáng giaèng ôû hai phía cuûa oáng chuû coù löïc doïc baèng nhau vaø ngöôïc daáu. Tröôøng hôïp ñaëc bieät, khi hai oáng giaèng vuoâng goùc vôùi oáng chuû, ta coù kieåu chöõ thaäp.

Moät oáng giaèng ñöôïc noái theo kieåu K-T laø oáng giaèng maø moät phaàn löïc doïc ñöôïc caân baèng vôùi löïc doïc ôû oáng giaèng khaùc nhö kieåu K vaø phaàn coøn laïi coù taùc duïng nhö löïc caét leân oáng chuû.

Vaán ñeà ñaët ra laø moät moái noái coù theå laïi thuoäc caùc kieåu khaùc nhau trong caùc tröôøng hôïp taûi troïng ngoaøi khaùc nhau. Tuy nhieân, quy phaïm API ñaõ chæ ra raèng coù theå phaân loaïi moái noái theo keát quaû phaân tích tónh hoïc keát caáu öùng vôùi tröôøng hôïp taûi troïng lôùn nhaát ñoái vôùi moãi höôùng soùng ñang xeùt.

Caùc thoâng soá hình hoïc cuûa moái noái caàn thieát cho nhöõng tính toaùn veà sau goàm coù:

� ñöôøng kính ngoaøi cuûa oáng chuû: 2R = D.

� chieàu daøy thaønh oáng chuû T

� chieàu daøi toaøn boä oáng chuû L

� ñöôøng kính ngoaøi oáng giaèng 2r = d

� chieàu daøy thaønh oáng giaèng t

� goùc nghieâng giöõa oáng giaèng vaø oáng chuû θ

� Khoaûng caùch chaân giöõa hai oáng giaèng g

� Khoaûng leäch taâm e

� Tyû soá ñöôøng kính β = d/D

� Tyû soá giöõa baùn kính vaø chieàu daøy oáng chuû γ = R/T

� Tyû soá chieàu daøy thaønh oáng τ = t/T

11

� Tyû soá giöõa khe vaø ñöôøng kính ngoaøi oáng chuû p=g/D

� Tyû soá giöõa chieàu daøi vaø ñöôøng kính ngoaøi oáng chuû α = L/D

Trong moái noái choàng, caùc thoâng soá g vaø p coù giaù trò aâm.

2.4 Caáu taïo moùng coïc.

2.4.1 Chöùc naêng cuûa moùng coïc.

- Truyeàn toaøn boä taûi troïng ñöùng cuûa keát caáu beân treân vaøo saâu trong ñaát neàn (coù theå ñaït tôùi P0 = 500T).

- Cuøng vôùi khoái giaøn chaân ñeá choáng chòu caùc taûi ngang khaù lôùn cuûa moâi tröôøng taùc duïng leân giaøn.

Taûi troïng ngang treân ñaàu coïc coù theå ñaït tôùi: Q0 = 0,5MN = 50T, M0 = 1,5MN.m = 150T.m vaø thaäm chí lôùn hôn, gaây ra nhöõng chuyeån vò ngang khaù lôùn.

2.4.2 Caùc loaïi coïc.

Coïc duøng trong coâng trình bieån coá ñònh thöôøng coù caùc loaïi sau:

- Coïc oáng theùp: ñöôïc ñoùng vaøo ñaát nhôø buùa hay thieát bò rung. Coïc oáng theùp laø loaïi phoå bieán nhaát coù ñöôøng kính ngoaøi D = 0,6 ÷ 1,5m; δ = 12÷ 25mm. Coïc ñöôïc ñoùng saâu vaøo trong ñaát töø 35 ñeán treân 60m.

Ñoä daøy toái thieåu cuûa thaønh coïc oáng theùp:

min0,25

100

Dt = + (t: in; D: in)

min 6,35100

Dt = + (t: mm; D: mm)

Ñöôøng kính coïc: D Chieàu daøy danh ñònh thaønh coïc: t

in mm in mm

24

30

36

42

48

60

72

84

96

610

762

914

1067

1219

1524

1829

2134

2438

½

9/16

5/8

11/16

¾

7/8

1

11/8

11/4

13

14

16

17

19

22

25

28

31

12

108

120

2743

3048

13/8

11/2

34

37

Chieàu daøy thaønh coïc phaûi ñaûm baûo sao cho ngaên ngöøa maát oån ñònh cuïc boä taïi öùng suaát ñaït ñeán giôùi haïn chaûy. Ñaûm baûo ñuû ñieàu kieän chòu taûi trong caùc tính huoáng xaûy ra trong quaù trình laép döïng vaø khai thaùc.

- Coïc khoan: goàm nhieàu oáng theùp ñöôïc haï vaøo trong caùc loã khoan coù ñöôøng kính lôùn hôn oùng theùp ñöôïc taïo saün trong ñaát, sau ñoù phun vöõa ximaêng laáp laïi.

- Coïc lieân hôïp: ñaàu tieân ñoùng coïc oáng theùp vaøo trong caùc lôùp ñaát beân treân roài khoan trong loøng oáng cho ñeán ñoä saâu thieát keá. Sau ñoù ñaët ñoaïn coïc neo (coïc oáng theùp ñöôøng kính nhoû hôn) vaøo trong vaø laáp baèng vöõa ximaêng, ximaêng caùt hoaëc beâtoâng.

- Coïc khoan nhoài môû roäng muõi (muõi ñaët vaøo taàng seùt cöùng)

2.4.3 Caùc hình thöùc moùng coïc.

a. Daïng coïc ñôn.

Ñaây laø hình thöùc keát caáu ñôn giaûn nhaát cuûa moùng coïc coâng trình bieån. Moãi oáng chính chæ coù moät coïc ñoùng loàng beân trong tôùi ñoä saâu thieát keá. Sau khi haï coïc ñeán ñoä saâu thieát keá, ngöôøi ta caét ñaàu coïc, haøn lieân keát coïc vôùi oáng chính, sau ñoù tieán haønh bôm vöõa ximaêng vaøo khoaûng giöõa coïc vôùi oáng chính. Trong loøng oáng chính coù caùc gioaêng cao su ñeå ngaên vöõa khoâng bò traøn ra ngoaøi.

Tröôøng hôïp neàn ñaát khaù meàm yeáu, ngöôøi ta coù theå boá trí theâm coïc vieàn phuï treân chu tuyeán ñaùy khoái chaân ñeá giaøn khoan. Khi ñoù ôû phaàn döôùi cuûa khoái chaân ñeá ngöôøi ta boá trí caùc oáng truï ñònh höôùng cô baûn, caùc taàng coøn laïi cuõng boá trí caùc truï ñònh höôùng phuï. Ngöôøi ta ñoùng coïc xuyeân trong caùc oáng ñònh höôùng naøy.

13

b. Daïng nhoùm coïc.

Tröôøng hôïp naøy, ngoaøi coïc ñoùng xuyeân trong loøng oáng chính cuûa chaân ñeá, phía ngoaøi oáng chính ñoù ngöôøi ta coøn ñoùng theâm moät soá coïc phuï khaùc. Caùc coïc phuï naøy cuøng vôùi coïc xuyeân trong loøng oáng taïo thaønh moät moùng coïc ôû chaân truï (nôi ngang möùc ñaùy bieån). Caáu taïo oáng ñònh höôùng ñeå ñoùng coïc phuï cuõng gioáng nhö coïc vieàn.

2.5 Vaät lieäu cheá taïo coïc vaø chaân ñeá.

- Caùc theùp haøn ohaû duøng theùo coù maùc quy ñònh.

- Cho pheùp duøng theùp cacbon maùc ΓOCT380-71 vaø theùp hôïp kim thaáp maùc 09Γ2C, ΓOCT19281-73. Khi khoâng theå coù maùc theùp, choïn loaïi töông öùng TY14-1-3023-80. Söùc choáng tính toaùn cuûa oáng theo giôùi haïn chaûy: 2200 ÷ 3800kg/cm2.

2.6 Xaùc ñònh kích thöôùc chaân ñeá.

a. Ñoä vöôït cao cuûa beä moâñun.

Ñaùy beä moâñun caàn phaûi ñöôïc naâng cao hôn so vôùi MN tính toaùn:

(max) 0,1% 0,5K y H npH H h Hη= + + ∆ + +

Trong ñoù:

- HK = cao ñoä maët döôùi ñaùy beä moâñun tính töø moác 0.

- Hy(max) = möïc nöôùc bieån naèm cao nhaát coù suaát ñaûm baûo 5% tính töø möïc nöôùc 0.

- η0.1% = chieàu cao ñænh soùng coù suaát ñaûm baûo 0,1%,

- ∆hH = chieàu cao nöôùc daâng lôùn nhaát do gioù.

- Hnp = chieàu cao nöôùc daâng lôùn nhaát do thuûy trieàu.

Ñoä naâng cao ñaùy beä moâñun ôû caùc vuøng bieån cuûa Myõ laø 11,5÷17,0m, ôû moû Baïch Hoå laø 15,0m.

b. Maët baèng chaân ñeá.

Maët baèng ôû ñænh chaân ñeá: tuøy theo chöùc naêng cuûa giaøn, coâng ngheä cuûa giaøn ñeå ñònh ra kích thöôùc ñænh khoái giaøn.

Kích thöôùc maët baèng chaân ñeá taïi ñaùy bieån: töø kích thöôùc chaân ñeá taïi ñænh, ñoä nghieâng cuûa oáng, ñoä saâu nöôùc tính ra kích thöôùc maët baèng ôû ñaùy.

Kích thöôùc maët baèng ôû ñaùy cuõng phaûi thoûa maõn ñieàu kieän oån ñònh khi ñaët chaân ñeá leân ñaùy bieån nhöng chöa ñoùng coïc. Heä soá oån ñònh laät trong ñieàu kieän taûi troïng thi coâng

14

phaûi lôùn hôn 1,4. Taûi troïng trong ñieàu kieän thi coâng laáy baèng 30% taûi troïng tính toaùn trong ñieàu kieän baát lôïi nhaát.

2.7 Vò trí giaøn khoan treân bieån.

Khi löïa choïn ñònh vò giaøn khoan treân bieån caàn phaûi theo caùc nguyeân taéc sau:

- Caên cöù vaøo höôùng taùc ñoäng lôùn nhaát cuûa moâi tröôøng: khi tính toaùn giaøn khoan treân bieån ta phaûi thöïc hieän tính toaùn cho nhieàu höôùng taùc ñoäng. Höôùng taùc ñoäng lôùn vaø höôùng taùc ñoäng lôùn nhaát quyeát ñònh vieäc ñònh vò giaøn khoan.

- Phaûi ñònh vò giaøn khoan sao cho noù chòu taùc ñoäng cuûa moâi tröôøng laø nhoû nhaát.

- Ñònh vò giaøn sao cho höôùng coù ñoä cöùng lôùn nhaát phaûi truøng vôùi höôùng taùc ñoäng lôùn nhaát.

- Phaûi xeùt ñeán töông quan cuûa giaøn ñang thieát keá vôùi caùc giaøn trong khu vöïc.

2.8 Ñaëc ñieåm tính toaùn thieát keá giaøn khoan.

2.8.1 Trình töï noäi dung thieát keá chaân ñeá giaøn khoan.

Coâng trình giaøn khoan coá ñònh coù ñaëc ñieåm laø phaûi cheá taïo ôû treân bôø roài vaän chuyeån ra nôi seõ khai thaùc ñeå laép ñaët coá ñònh xuoáng ñaùy bieån. Nhöõng giai ñoaïn chuû yeáu ñeå thieát keá coâng trình naøy laø:

1) laøm saùng toû nhieäm vuï cuûa coâng trình.

- Coâng trình thaêm doø, khai thaùc daàu khí.

- Traïm ñeøn bieån phuïc vuï haøng haûi.

- Coâng trình phuïc vuï quoác phoøng.

Töø nhieäm vuï cuûa coâng trình seõ quyeát ñònh caùc thieát bò treân saøn, caùch boá trí chuùng. Töø ñoù seõ tính ñöôïc kích thöôùc maët baèng saøn.

2) Ñaùnh giaù nhöõng ñieàu kieän cuûa moâi tröôøng xung quanh vaø ñaëc ñieåm cuûa vò trí xaây döïng coâng trình.

3) Thieát keá sô boä. ÔÛ giai ñoaïn naøy caàn phaûi xeùt ñeán caùch laép ñaët coâng trình ôû nôi khai thaùc.

4) Ñaùnh giaù chi phí vaät lieäu, nhöõng khoù khaên phaùt sinh khi cheá taïo vaø laép ñaët coâng trình, nhöõng yeâu caàu veà neàn ñaát. Xeùt caùc phöông aùn theo moät soá chæ tieâu: löôïng vaät lieäu, möùc ñoä khoù khaên khi thi coâng. Töø ñoù choïn giaûi phaùp keát caáu cuoái cuøng.

5) Xaùc ñònh caùc kích thöôùc cuûa keát caáu vaø caùc chi tieát cuûa noù nhaèm ñaûm baûo tieáp nhaän ñöôïc caùc taûi troïng khai thaùc cuõng nhö taùc ñoäng cuûa moâi tröôøng xung quanh.

6) Ñaùnh giaù khaû naêng tieáp nhaän taûi troïng phaùt sinh trong quaù trình thi coâng: cheá taïo, vaän chuyeån vaø laép ñaët ôû ngoaøi khôi.

2.8.2 Phöông phaùp thieát keá.

15

Tính toaùn thieát keá caùc coâng trình bieån theo TTGH. Caùc TTGH cuûa coâng trình bieån laø traïng thaùi ñaëc bieät maø khi ñaït ñeán traïng thaùi ñoù thì coâng trình bieån hoaëc moät phaàn cuûa noù ñöôïc coi laø khoâng phuø hôïp cho söû duïng. Ñoái vôùi coâng trình bieån coá ñònh caàn xeùt 4 TTGH laø:

� TTGH cöïc haïn (VLS): töông öùng vôùi khaû naêng chòu taûi toái ña.

� TTGH moûi (FLS): lieân quan tôùi coâng trình bieån chòu taûi troïng chu kyø.

� TTGH taêng daàn (PLS): söï phaù hoûng taêng daàn sau khi coâng trình bò hö hoûng do söû duïng sai hoaëc bò söï coá.

� TTGH khaû naêng laøm vieäc (SLS): lieân quan ñeán tieâu chuaån söû duïng bình thöôøng.

Döôùi taùc duïng ñoàng thôøi cuûa caùc taûi troïng taïm thôøi (gioù, soùng, doøng chaûy, taàu, ñoäng ñaát), tính toaùn giaøn khoan phaûi ñöôïc thöïc hieän coù xeùt caùc toå hôïp baát lôïi nhaát cuûa caùc taûi troïng naøy. Toå hôïp aáy ñöôïc xuaát phaùt töø nhöõng phöông aùn thöïc teá taùc duïng ñoàng thôøi cuûa caùc taûi troïng khaùc nhau. Luùc ñoù, caùc giaù trò tính toaùn cuûa nhöõng taûi troïng naøy hay caùc noäi löïc töông öùng cuûa chuùng phaûi nhaân vôùi heä soá toå hôïp nc.

Heä soá vöôït taûi n (theo baûng sau):

STT Loaïi taûi troïng vaø taùc ñoäng n

1. a. b.

Taûi troïng thöôøng xuyeân: - Troïng löôïng keát caáu chaân ñeá, keát caáu beä moâñun. - Troïng löôïng saøn goã vaø caùc boä phaän baèng goã

1.05 (0.9) 1,3

2. a. b. c.

d.

e.

f. 3.

a. b. c. d. e.

4.

Troïng löôïng taïm thôøi daøi haïn. - Troïng löôïng baûn thaân thaùp khoan vaø thieát bò laép coá ñònh. - Troïng löôïng boä phaän caùch nhieät cuûa caùc thieát bò. - Troïng löôïng ñöôïc laáp ñaày thieát bò, keå caû caùc bình chöùa vaø ñöôøng oáng. - Troïng löôïng laáp ñaày thieát bò, ñöôøng oáng bôûi theå huyeàn phuø, boät ñaù, theå rôøi. - Taûi troïng do troïng löôïng cuûa caùc oáng khoan cuûa caùc thuoác thöû hoùa hoïc vaø caùc vaät lieäu khaùc phaân boá döôùi daïng sa khoaùng. - Taûi troïng do thieát bò naâng coá ñònh vaø haøng hoùa. Taûi troïng taïm thôøi ngaén haïn. Taûi troïng do gioù. Taûi troïng do soùng vaø doøng chaûy. Taûi troïng do taàu. Taûi troïng do maùy bay tröïc thaêng. Taûi troïng do laép raùp.

- Do maùy moùc. - Do maùng laép raùp ñöôïc nhaác leân

Taûi troïng ñaëc bieät. - Do ñoäng ñaát.

1.05 1.2 1.0 1.1 1.2 1.2 1.0 1.0 1.1 OATΓA-80 1.1 (0.9) 1.2 1.0

16

2.9 Thi coâng trình coâng trình bieån coá ñònh.

Kéo – vận chuyển – hạ thủy chân đế.

Hạ thủy – lắp đặt chân đế xuống biển.

Kéo chân đế từ bãi xuống sà lan.

17

Vận chuyển chân đế bằng sà lan

Vận chuyển cọc trên bãi chế tạo.

Vận chuyển cọc bằng sà lan.

18

Vận chuyển cọc bằng kéo nổi.

Định vị lắp đặt chân đế bằng hệ thống sóng âm.

19

Lắp đặt chân đế gồm nhiều phân đoạn.

Đóng cọc trên biển.

20

Đóng cọc trong ống chính chân đế giàn khoan.

Búa đóng cọc chân đế đường kính lớn.

21

Bơm vữa móng cọc dưới biển.

22

Sơ đồ kết cấu chân đế bằng BTCT

23

Các giai đoạn thi công chân đế bằng BTCT

24

Các giai đoạn thi công khối chân đế bằng BTCT.

25

Các giai đoạn thi công khối chân đế bằng BTCT.

26

Kéo nổi chân đế BTCT trên biển.

Đầm tạo mặt nền dưới đáy biển.

1

CHÖÔNG 3

TAÛI TROÏNG VAØ TAÙC ÑOÄNG 3.1 Caùc loaïi taûi troïng vaø taùc ñoäng.

Töø caùc ñaëc ñieåm cuûa coâng trình bieån coù theå thaáy chuùng chòu caùc taûi troïng sau.

3.1.1 Do moâi tröôøng:

� Gioù vaø taûi troïng gioù: Gioù baõo laø taùc ñoäng chuû yeáu leân coâng trình bieån, noù gaây ra moät löïc ngang lôùn taùc ñoäng leân phaàn töø maët nöôùc trôû leân cuûa coâng trình bieån. Toác ñoä gioù baõo coù theå ñaït tôùi 50m/s.

� Soùng vaø taûi troïng soùng: traïng thaùi maët bieån noåi soùng trong ñieàu kieän baõo coù yù nghóa lôùn khi tính toaùn coâng trình bieån. Taûi troïng soùng taùc duïng leân coâng trình bieån raát lôùn

� Doøng chaûy vaø taûi troïng doøng chaûy: doøng chaûy laø söï chuyeån ñoäng cuûa khoái nöôùc do nhöõng nguyeân nhaân khaùc nhau:

- Doøng trieàu: do löïc huùt cuûa maët traêng vaø maët trôøi.

- Doøng chaûy do gioù, coù nguyeân nhaân laø löïc ma saùt giöõa doøng khoâng khí vôùi beà maët nöôùc.

- Doøng chaûy soâng.

- Doøng chaûy ñaïi döông gaây ra bôûi caùc cheá ñoä gioù treân phaïm vi roäng lôùn treân ñaïi döông.

Trong ñieàu kieän baõo, vaän toác doøng chaûy beà maët coù theå lôùn hôn 0.6m/s gaây ra moät taûi troïng phuï theâm baèng khoaûng 10% taûi troïng soùng.

� Taûi troïng do ñoäng ñaát.

3.1.2 Taûi troïng do khai thaùc:

� Troïng löôïng caùc thieát bò ñaët treân keát caáu beân treân vaø troïng löôïng baûn thaân coâng trình. Ñaây chuû yeáu laø caùc löïc thaúng ñöùng. Caàn caên cöù vaøo thieát keá cuûa keát caáu thöôïng taàng ñeå xaùc ñònh taûi troïng naøy. (Taûi troïng naøy ôû caùc giaøn khoan moû Baïch Hoå khoaûng 7000T).

� Taûi troïng do taàu: cuõng gioáng trong coâng trình beán, taûi troïng do taàu goàm coù taûi troïng va vaø taûi troïng neo.

3.1.3 Taûi troïng do thi coâng:

2

� Do ñaëc ñieåm thi coâng coâng trình bieån laø cheá taïo moät nôi vaø xaây döïng laép ñaët ôû moät nôi khaùc ngoaøi khôi neân taûi troïng sinh ra do quaù trình thi coâng cuõng raát phöùc taïp. Taûi troïng ñoù goàm:

- Taûi troïng do quaù trình caåu laép.

- Taûi troïng do quaù trình haï thuûy.

3.2 Gioù vaø taûi troïng gioù.

3.2.1 Toác ñoä gioù:

ÔÛ moät vò trí quan traéc coá ñònh ta thaáy vaän toác gioù thay ñoåi theo thôøi gian (v = v(t)). Taïi cuøng moät thôøi ñieåm, tieán haønh ño ôû caùc vò trí khaùc nhau, ta thaáy vaän toác gioù thay ñoåi theo vò trí quan saùt (v = v(l)). Nhö vaäy vaän toác gioù töï nhieân bieán ñoåi theo thôøi gian vaø khoâng gian vaø laø moät ñaïi löôïng ngaãu nhieân. Ñeå coù theå ñaùnh giaù ñöôïc taùc ñoäng vaø taûi troïng gioù ngöôøi ta laøm nhö sau:

1. Phaïm vi taàn soá cuûa gioù:

Ngöôøi ta phaân bieät 2 phaïm vi taàn soá cuûa gioù:

- Phaïm vi lôùn (mesometeologic): noù moâ taû keát caáu lôùn hoaëc keát caáu macro cuûa gioù, noù ñöôïc ñaùnh giaù baèng caùch laáy trung bình vaän toác trong khoaûng thôøi gian lôùn töø haøng giôø ñeán haøng ngaøy, vaø vaän toác naøy ñöôïc goïi laø vaän toác trung bình cuûa gioù.

- Phaïm vi beù (micrometeologic): moâ taû söï chaûy roái cuûa doøng khoâng khí hoaëc töøng côn gioù giaät. Trong phaïm vi naøy, ngöôøi ta quan taâm ñeán söï dao ñoäng ngaãu nhieân cuûa vaän toác gioù, vaø vaän toác gioù ñöôïc laáy trung bình theo töøng giaây hoaëc töøng phuùt. Keát caáu micro cuûa gioù gaây leân söï dao ñoäng cuûa coâng trình.

Theo caùch phaân chia phaïm vi vaän toác gioù nhö vaäy neân vaän toác gioù coù theå phaân laøm hai thaønh phaàn: vaän toác gioù trung bình v vaø thaønh phaàn bieán ñoåi theo thôøi gian v(t).

( ) ( )g t tv v v= + (3.1)

Vaän toác trung bình trong khoaûng thôøi gian T:

( )

0

1T

t g tv v dtT

= ∫ (3.2)

Davenport ñaõ laøm nhieàu thí nghieäm ño ñaïc veà vaän toác gioù, ñaõ tính vaän toác gioù trung bình v vaø tính toaùn phaàn naêng löôïng dö ∆E coøn laïi cuûa thaønh phaàn vaän toác v(t).

Vaän toác trung bình trong 1 giôø ñöôïc duøng luùc tính toaùn söï phaân boá xaùc xuaát cuûa vaän toác gioù cöïc ñaïi trong 1 naêm hoaëc trong moät chu kyø laëp laïi nhaát ñònh trong nhieàu naêm cuõng nhö ñeå veõ profil cuûa gioù, coøn maät ñoä phoå cuûa gioù moâ taû vaän toác roái cuûa gioù.

2. Söï phaân boá cuûa gioù theo chieàu cao (profil chieàu cao gioù):

Profil vaän toác gioù töông öùng vôùi lôùp bieân cuûa doøng khoâng khí ñöôïc bieåu dieãn döôùi haøm luõy thöøa ñôn giaûn:

3

( ) ;0

G

G Gz

G

zv v z z

z

α

= ≤ ≤

(3.3)

Trong ñoù: z = chieàu cao tính töø maët baèng.

( )zv = vaän toác trung bình ôû chieàu cao z.

zG = chieàu cao maø taïi ñoù vaän toác gioù vG khoâng phuø thuoäc ñoä nhaùm k cuûa beà maët, ñöôïc goïi laø chieàu cao Gradien.

αG = heä soá phuï thuoäc daïng beà maët.

Thay theá cho chieàu cao zG thöôøng söû duïng chieàu cao chuaån 10m.

( ) ( )10;0

10

G

Gz

zv v z z

α

= ≤ ≤

(3.4)

Baûng 3.1 laø moät soá giaù trò cuûa ñoä nhaùm beà maët k, chieàu cao gradien zG vaø heä soá αG theo Davenport:

Baûng 3.1:

Ñaïi löôïng

Tính chaát beà maët

k zG(m) αG

Bieån hôû, bôø bieån

Maët ñaát baèng phaúng, ñoàng ruoäng

Thaønh phoá, röøng

Nhaø cao taàng

0.003

0.005

0.015

0.050

250

300

400

500

0.14

0.18

0.28

0.40

ÔÛ gaàn maët ñaát hoaëc gaàn maët bieån do coù ñoä nhaùm beà maët k neân möùc ñoä roái cao, vôùi thôøi gian laáy trung bình trong 2 giaây, vaän toác v cao hôn vaø daïng profil chieàu cao cuõng khaùc haún profil chieàu cao luùc laáy trung bình trong 1 giôø. Ñoái vôùi profil cuûa vaän toác gioù giaät cöïc ñaïi coù theå laáy αG = 0.07.

Lloyd Germanie söû duïng vaän toác gioù trung bình laø vaän toác trung bình trong 1 phuùt. Vaän toác gioù vôùi chu kyø laëp laïi 100 naêm neáu khoâng coù soá lieäu quan saùt cuï theå coù theå laáy

( )10Rv =50(m/s) vôùi profil gioù coù daïng:

( ) ( )

0.1

1010

R z R

zv v

=

(3.5)

Vaän toác gioù giaät cöïc ñaïi trung bình trong thôøi gian nhoû hôn 3s coù theå laáy baèng:

1.2g R

v v= (3.6)

Khi khoâng coù soá lieäu ño ñaïc chính xaùc, toác ñoä gioù ngay treân maët bieån taïi choã khai thaùc coâng trình bieån coù theå laáy lôùn hôn 10% toác ñoä gioù taïi traïm gaàn nhaát treân maët ñaát.

3. Söï phaân boá thoáng keâ vaän toác cöïc ñaïi cuûa gioù:

4

Vaän toác gioù cöïc ñaïi xuaát hieän moät laàn trong 1 naêm 0Gv ñöôïc ruùt ra töø caùc soá lieäu

thoáng keâ gioù vaø thöôøng ñöôïc ghi trong caùc baûn ñoà phaân boá gioù ôû töøng khu vöïc (VD ôû vònh phía Baéc nöôùc Ñöùc, vaän toác gradien 0G

v = 32,5m/s).

Ñoái vôùi chu kyø laëp laïi laø R naêm vôùi giaû thieát vaän toác gioù cöïc ñaïi phaân boá theo quy luaät Gumbel ta coù bieåu thöùc vaän toác gioù cöïc ñaïi trong R naêm theo coâng thöùc sau:

0

0

1 11 ln ln 1GR G

G

v vv Rα

= − − −

(3.7)

Trong ñoù ( )1

0Gvα− bieåu thò möùc ñoä phaân taùn cuûa vaän toác gioù. (VD vôùi 0Gvα = 0.1, R

= 100 naêm, ta coù vG100 = 1.543vG0).

4. Tính xung ñoäng cuûa toác ñoä gioù:

Khi tính toaùn coâng trình bieån caàn phaûi xeùt ñeán tính xung ñoäng (maïch ñoäng) cuûa toác ñoä gioù. Tính xung ñoäng naøy ñöôïc goïi laø caùc côn gioù, ñöôïc tính ñeán thoâng qua heä soá côn gioù γ, cho trong baûng 3.2 :

Baûng 3.2 : heä soá côn gioù γ.

Toác ñoä trung bình max naêm (m/s)

Khoaûng thôøi gian tính trung bình (s)

60 30 20 10 5 0.5

30

60

1.00

-

1.08

1.00

1.12

1.04

1.18

1.10

1.24

1.12

1.37

1.29

Treân thöïc teá, khoâng phaûi taát caû caùc khoaûng thôøi gian tính trung bình neâu trong baûng treân ñeàu coù yù nghóa quan troïng, vì neáu côn gioù xaûy ra trong thôøi gian ngaén hôn thôøi gian caàn coù ñeå coâng trình kòp theå hieän ñaùp öùng thì aûnh höôûng cuûa noù ñeán coâng trình seõ nhoû hôn vaø coù theå boû qua.

Ñoái vôùi caùc coâng trình bieån, heä soá côn gioù coù theå laáy baèng 1,20.

VD toác ñoä gioù trung bình laø 60m/s thì giaù trò toác ñoä gioù tính toaùn v = 1.2x60 = 72m/s.

5. Moät soá soá lieäu gioù ôû VN:

Toác ñoä gioù lôùn nhaát quan traéc ñöôïc trong khoaûng 30 naêm (1969 – 1988) ôû caùc vuøng cuûa VN cho trong baûng 3.3:

Baûng 3.3

Teân vuøng Vmax (m/s) Höôùng Thôøi gian xuaát hieän

Vuøng 1: Baïch Long Vó

Vuøng 2: Ñaø Naüng

50.0

31.0

Nhieàu höôùng

NNW

Nhieàu naêm

15-10-1925

5

Ship

Vuøng 3: Giaøn khoan MSP_1

Ship

Coân Ñaûo

25.0

28.7

30.0

30.0

NNE

NW

12-1975

6-12-1987

17-6-1991

3.2.2 Taûi troïng gioù:

1. Nguyeân lyù chung ñeå xaùc ñònh taûi troïng gioù:

Toång taûi troïng gioù taùc duïng leân coâng trình bieån baèng toång caùc löïc gioù taùc duïng leân caùc boä phaän cuûa coâng trình bieån naèm cao hôn maët nöôùc bieån. Caùc boä phaän ñoù nhö: caùc oáng cuûa phaàn khoái chaân ñeá; caùc beå chöùa vöõa khoan; khoái nhaø sinh hoaït; thaùp khoan, caàn truïc …

g giF F=∑

Tröôøng hôïp boä phaän chaén gioù vuoâng goùc vôùi höôùng gioù laø cô baûn, ñöôïc nghieân cöùu ñaàu tieân.

Neáu boä phaän chaén gioù taïo ra moät goùc α vôùi höôùng gioù thì löïc gioù ñöôïc chieáu theo phöông phaùp tuyeán vôùi beà maët ñoùn gioù cuûa boä phaän naøy.

Toång löïc gioù taùc duïng leân coâng trình bieån cuõng coù theå ñöôïc phaân tích theo caùc truïc toïa ñoä: xF∑ , yF∑ .

2. Taûi troïng gioù leân boä phaän vuoâng goùc vôùi höôùng gioù:

Taûi troïng gioù taùc duïng leân moãi boä phaän vuoâng goùc vôùi höôùng gioù ñöôïc tính theo coâng thöùc thöïc nghieäm sau:

2 *0,5iF CAv fCA fAρ= = = (3.9)

Trong ñoù: ρ = maät ñoä khoâng khí (kg/m3).

A = dieän tích maët ñoùn gioù (m2).

v = vaän toác gioù (m/s).

C = heä soá khí ñoäng, khoâng thöù nguyeân, phuï thuoäc vaøo hình daùng vaät caûn, heä soá nhôùt ñoäng hoïc cuûa khoâng khí µ (hay heä soâ Raynol

/eR vDρ µ= , trong ñoù D laø kích thöôùc ñaëc tröng cuûa vaät caûn).

6

20,5f vρ= = coät aùp löïc gioù toác ñoä.

Bôûi vì maät ñoä vaø ñoä nhôùt cuûa lôùp khoâng khí gaàn maët nöôùc ít thay ñoåi döôùi nhöõng bieán ñoäng bình thöôøng cuûa aùp löïc vaø nhieät ñoä khí quyeån neân coù theå chaáp nhaän caùc giaù trò sau: ρ=1,226 (kg/m3) vaø µ = 1,795.10-5 Pas.

Töø ñoà thò treân hình beân cho thaáy khi Re ≥ 106 thì Ctroøn = 0,6 vaø CCN = 2,1.

Ñoái vôùi caùc vaät caûn coù chieàu daøi L höõu haïn thì giaù trò C nhoû hôn so vôùi ñaõ neâu ôû treân vì doøng khí chaûy bao hai ñaàu muùt laøm giaûm taûi troïng gioù.

Trong tính toaùn thöïc teá vôùi caùc vaät caûn khaùc nhau, giaù trò C coù theå laáy nhö sau:

- Daàm tieát dieän chöõ nhaät: C = 1,5.

- Truï troøn: C = 0,5.

- Töôøng nhaø sinh hoaït C = 1,5.

- Phaàn nhoâ ra cuûa saøn coâng ngheä C = 1,0.

Veà dieän tích ñoùn gioù: A(m2)

Ai = A0ϕ.e (3.11)

Trong ñoù:

A0 = dieän tích hình chieáu cuûa boä phaän chaén gioù (tính theo chu tuyeán) leân maët phaúng vuoâng goùc vôùi höôùng gioù.

ϕ = heä soá laáp ñaày, ñöôïc xaùc ñònh ñoái vôùi caùc keát caáu daøn, baèng tyû soá hình chieáu toång dieän tích caùc boä phaän cuûa daøn vôùi dieän tích chu tuyeán cuûa noù. ϕ = Ar/A0.

e = heä soá maøn chaén (ñoái vôùi vaät thöù 2), xaùc ñònh theo baûng 3.4

TT Profil keát caáu Caùc khuyeán nghò veà caùch xaùc ñònh e

1

a/h1 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.8 >2.0

e1 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.8 0.9 1.0

2

2 1 2 1e e h h=

3

- phaàn phía treân (h2 – h1) laáy e3 = 1.0

- phaàn phía döôùi (h1) laáy e3 = e1.

7

3. Tröôøng hôïp höôùng gioù khoâng vuoâng goùc vôùi maët ñoùn gioù:

Khi ñoù thaønh phaàn taûi troïng gioù vuoâng goùc vôùi maët ñoùn gioù tính theo vaän toác gioù thaønh phaàn cosv α :

2 20,5 cosiF CAvρ α= (3.12)

Neáu chieáu dieän tích maët ñoùn gioù leân phöông vuoâng goùc vôùi höôùng gioù, luùc naøy dieän tích laø Acosα:

20,5 cosiF CAvρ α= (3.13)

Nhaän thaáy coâng thöùc 3.13 thieân veà an toaøn hôn so vôùi coâng thöùc 3.12 neân choïn duøng laøm coâng thöùc tính toaùn.

4. Toång hôïp löïc gioù taùc duïng leân coâng trình:

Ñoä lôùn cuûa löïc gioù leân coâng trình bieån: g giF F=∑ (3.14)

Xaùc ñònh ñieåm ñaët toång hôïp löïc gioù leân coâng trình bieån (ñieåm A) baèng caùch choïn heä truïc toïa ñoä chung cho maët ñoùn gioù cuûa coâng trình bieån (OX theo phöông ngang, OY theo phöông ñöùng, O baát kyø); tính moâmen cuûa taát caû caùc löïc Fx vaø Fy ñoái vôùi taâm O thu ñöôïc

xF

OM vaø yF

OM . Toïa ñoä ñieåm ñaët hôïp löïc theo heä truïc toïa ñoä ñaõ choïn ñöôïc xaùc ñònh theo coâng thöùc:

;y x

F F

O OA A

y x

M MX Y

F F= =∑ ∑

(3.15)

8

3.3 Soùng vaø taûi troïng soùng.

Soùng laø söï lan truyeàn dao ñoäng cuûa maët nöôùc. Nguyeân nhaân gaây ra soùng coù theå laø do gioù, taàu chaïy, ñoäng ñaát ...

Caùc ñaëc tröng cuûa soùng.

Soùng ñöôïc phaân loaïi döïa treân Chu kyø soùng T (laø thôøi gian ñeå 1 soùng di chuyeån ñöôïc quaõng ñöôøng baèng 1 chieàu daøi soùng) hoaëc Taàn soá soùng f = 1/T.

Soùng do gioù coøn goïi laø soùng troïng löïc. Soùng troïng löïc coøn ñöôïc phaân bieät ra 2 traïng thaùi:

- Seas: khi soùng chòu aûnh höôûng bôûi gioù trong vuøng phaùt sinh soùng.

- swell: khi soùng di chuyeån ra ngoaøi vuøng phaùt sinh soùng vaø khoâng coøn chòu taùc ñoäng ñaùng keå cuûa gioù.

Caùc giaû thieát khi nghieân cöùu soùng:

- Chaát loûng laø ñoàng nhaát vaø khoâng neùn ñöôïc, do ñoù maät ñoä nöôùc ρ laø haèng soá.

- Coù theå boû qua söùc caêng beà maët.

9

- Coù theå boû qua aûnh höôûng cuûa löïc Coriolis.

- Aùp löïc taïi maët thoaùng khoâng ñoåi vaø phaân boá ñeàu.

- Chaát loûng laø lyù töôûng (khoâng nhôùt).

- Soùng ñang xem xeùt khoâng bò aûnh höôûng bôûi baát kyø chuyeån ñoäng naøo khaùc cuûa nöôùc.

- Ñaùy bieån naèm ngang, coá ñònh, laø bieân khoâng thaám (haøm yù raèng vaän toác theo phöông ñöùng taïi ñaùy baèng khoâng).

- Bieân ñoä soùng laø nhoû vaø hình daïng soùng khoâng thay ñoåi theo thôøi gian vaø khoâng gian.

- Soùng laø soùng phaúng.

3.3.1 Lyù thuyeát soùng bieân ñoä nhoû:

Soùng bieân ñoä nhoû ñöôïc dieãn taû bôûi caùc ñaïi löôïng cô baûn sau:

- Chieàu daøi soùng L: laø khoaûng caùch naèm ngang giöõa 2 ñieåm töông öùng treân 2 soùng lieân tieáp.

- Chieàu cao soùng H: khoaûng caùch thaúng ñöùng töø ñænh soùng tôùi ñaùy soùng.

- Chu kyø soùng T: Thôøi gian ñeå 2 ñænh soùng lieân tieáp ñi qua 1 ñieåm ñònh tröôùc.

- Ñoä saâu nöôùc d: khoaûng caùch töø maët nöôùc tónh tôùi ñaùy bieån.

- η laø chuyeån vò cuûa maët nöôùc töông öùng vôùi möïc nöôùc tónh, vaø laø haøm cuûa toïa

ñoä x vaø thôøi gian t.

a. Vaän toác soùng, chieàu daøi soùng vaø chu kyø soùng.

10

Toác ñoä maø moät daïng soùng truyeàn qua ñöôïc goïi laø vaän toác pha hoaëc vaän toác soùng C. Do khoaûng caùch di chuyeån ñöôïc bôûi 1 soùng trong 1 chu kyø soùng baèng chieàu daøi soùng, neân vaän toác soùng ñöôïc tính theo coâng thöùc:

(3.16)

Quan heä giöõa vaän toác soùng, chieàu daøi soùng vaø ñoä saâu nöôùc ñöôïc theå hieän qua:

(3.17)

Töø 3.16 vaø 3.17 coâng thöùc treân coù theå ruùt ra:

(3.18)

Trong caùc coâng thöùc treân, giaù trò 2π/L ñöôïc ñònh nghóa laø soá soùng k; giaù trò 2π/T ñöôïc ñònh nghóa laø taàn soá goùc ω.

Töø 3.16 vaø 3.17 coâng thöùc treân coù theå ruùt ra coâng thöùc tính chieàu daøi soùng:

(3.19a)

Hoaëc söû duïng coâng thöùc ñôn giaûn hoùa sau neáu chaáp nhaän sai soá khoaûng 5%:

(3.19b)

Soùng troïng löïc coøn coù theå phaân loaïi theo ñoä saâu vuøng coù soùng, theo baûng sau:

11

Trong vuøng nöôùc saâu, giaù trò tanh(2πd/L) tieán tôùi 1, khi ñoù 3.17 vaø 3.18 trôû thaønh:

(3.20)

(3.21)

C0, L0 laø vaän toác soùng vaø chieàu daøi soùng trong vuøng nöôùc saâu.

Chu kyø T laø haèng soá vaø khoâng phuï thuoäc vaøo ñoä saâu.

Trong thöïc teá: khi tyû leä d/L >0,5 coù theå coi laø soùng trong vuøng nöôùc saâu.

Trong vuøng nöôùc noâng (d/L < 1/25), 3.17 coù theå ruùt goïn:

(3.22)

b. Ñöôøng maët soùng.

Phöông trình moâ taû maët töï do laø haøm cuûa thôøi gian vaø toïa ñoä naèm ngang x coù daïng hình sin nhö sau:

(3.23)

Ñoái vôùi soùng truyeàn theo höôùng –x, daáu tröø (-) tröôùc ñaïi löôïng 2πt/T ñöôïc thay baèng daáu coäng (+).

c. Moät soá coâng thöùc höõu duïng khi tính toaùn soùng:

(3.24)

(3.25)

12

d. Vaän toác vaø gia toác haït chaát loûng.

Vaän toác vaø gia toác haït chaát loûng trong tröôøng soùng cho bôûi caùc phöông trình sau:

(3.26)

(3.27)

(3.28)

(3.29)

Hình döôùi ñaây cho bieát chieàu cuûa vaän toác vaø gia toác haït chaát loûng taïi ñænh soùng, ñaùy soùng vaø maët nöôùc tónh.

e. Chuyeån vò cuûa phaàn töû nöôùc.

13

Moät vaán ñeà quan troïng khaùc cuûa lyù thuyeát soùng tuyeán tính lieân quan ñeán chuyeån vò cuûa moãi phaàn töû nöôùc rieâng bieät trong vuøng coù soùng. Caùc phaàn töû nöôùc noùi chung seõ chuyeån ñoäng theo quyõ ñaïo elip trong vuøng nöôùc noâng hoaëc vuøng chuyeån tieáp, vaø theo quyõ ñaïo hình troøn trong vuøng nöôùc saâu. Neáu vò trí trung bình cuûa haït nöôùc ñöôïc coi nhö taïi taâm cuûa elip hoaëc ñöôøng troøn thì chuyeån vò theo phöông ñöùng cuûa haït nöôùc so vôùi vò trí trung bình khoâng theå vöôït quaù ½ chieàu cao soùng. Do vaäy vôùi giaû thieát soùng bieân ñoä nhoû thì chuyeån vò cuûa haït chaát loûng so vôùi vò trí trung bình cuõng laø nhoû.

Tích phaân coâng thöùc 3.26 vaø 3.27 thu ñöôïc coâng thöùc chuyeån vò cuûa haït chaát loûng theo phöông ngang vaø phöông ñöùng:

(3.30)

(3.31)

Söû duïng quan heä:

(3.32)

Ruùt ra ñöôïc:

(3.33)

(3.34)

Vieát laïi 3.33 vaø 3.34 döôùi daïng:

(3.35)

14

Trong ñoù:

(3.36)

(3.37)

Hình veõ döôùi ñaây moâ taû quyõ ñaïo chuyeån ñoäng cuûa phaàn töû nöôùc trong tröôøng soùng:

f. AÙp löïc nöôùc döôùi maët soùng.

15

Aùp löïc nöôùc döôùi maët soùng laø toång cuûa 2 thaønh phaàn: aùp löïc nöôùc tónh vaø aùp löïc nöôùc ñoäng, cho bôûi coâng thöùc sau:

(3.38)

Trong ñoù p’ laø aùp löïc toång hay aùp löïc tuyeät ñoái; pa laø aùp löïc cuûa khí quyeån; ρ = w/g laø maät ñoä theå tích cuûa nöôùc (ρ = 1025 kg/m3 ñoái vôùi nöôùc bieån). Để cho dễ sử dụng, áp lực thường

được

thể hiện

dưới

dạng

áp lực thuần như sau:

(3.39)

Hoaëc

(3.40)

Trong ñoù:

(3.41)

laø heä soá phaûn öùng aùp löïc.

3.3.2 Lyù thuyeát soùng stox baäc 2:

Caùc coâng thöùc veà soùng trong phaàn tröôùc döïa treân giaû thieát caùc chuyeån ñoäng laø nhoû vaø phöông trình maët thoaùng coù theå dieãn taû bôûi coâng thöùc 3.23.

Tröôøng hôïp cuï theå hôn khi bieân ñoä soùng ñöôïc coi laø nhoû vaø söï ñoùng goùp cuûa thaønh phaàn baäc cao hôn coù theå boû qua. Coâng thöùc phoå bieán hôn dieãn taû ñöôøng maët soùng nhö sau:

(3.42)

Trong ñoù: a=H/2 ñoái vôùi baäc 1 vaø baäc 2, nhöng a < H/2 ñoái vôùi baäc cao hôn baäc 2 cuûa a. Bi laø caùc haøm cuûa L vaø d.

Lyù thuyeát soùng tuyeán tính chæ xem xeùt soá haïng thöù nhaát cuûa veá phaûi coâng thöùc 3.42. Khi tính ñeán caùc soá haïng sau seõ cho moät xaáp xæ ñöôøng maët soùng coù baäc cao hôn. Baäc cuûa soùng

16

seõ ñöôïc xaùc ñònh bôûi baäc cao nhaát cuûa cac soá haïng trong chuoãi soá. Vì vaäy soùng baäc 2 seõ bao goàm 3 soá haïng ñaàu tieân cuûa coâng thöùc 3.42.

a. Vaän toác soùng, chieàu daøi soùng vaø daïng soùng.

Töø caùc coâng thöùc 3.18 vaø 3.19a, vieát laïi nhö sau:

(3.43)

(3.44)

Coâng thöùc bieåu thò maët thoaùng vôùi lyù thuyeát soùng baäc 2 nhö sau:

(3.45)

Ñoái vôùi vuøng nöôùc saâu (d/L > ½) coâng thöùc 3.45 trôû thaønh:

(3.46)

b. Vaän toác vaø chuyeån vò cuûa phaàn töû nöôùc.

(3.47)

17

(3.48)

Caùc coâng thöùc baäc 2 dieãn taû chuyeån vò cuûa phaån töø nöôùc töø vò trí trung bình ñoái vôùi soùng bieân ñoä höõu haïn nhö sau:

(3.49)

(3.50)

c. AÙp löïc döôùi maët soùng.

18

(3.51)

Baøi taäp:

Cho soùng coù L = 60m; H = 1m; d = 6m.

Yeâu caàu:

a. so saùnh ñöôøng maët soùng cho bôûi lyù thuyeát soùng baäc 1 vaø soùng baäc 2.

b. Xaùc ñònh söï khaùc nhau cuûa vaän toác theo phöông ngang taïi ñænh vaø buïng soùng öùng khi tính theo lyù thuyeát soùng baäc 1 vaø soùng baäc 2.

c. Tính aùp löïc döôùi maët soùng öùng vôùi soùng baäc 1 vaø baäc 2.

3.3.3 Lyù thuyeát soùng Cnoidal:

Soùng daøi coù bieân ñoä höõu haïn vaø hình daïng soùng oån ñònh lan truyeàn trong vuøng nöôùc noâng thöôøng ñöôïc bieåu dieãn toát nhaát bôûi lyù thuyeát soùng cnoidal. Töø cnoidal ñöôïc söû duïng vì ñöôøng maët soùng ñöôïc dieãn taû bôûi haøm Elip Jacobian, thoâng thöôøng kyù hieäu laø cn.

Khoaûng xaáp xæ hôïp lyù ñoái vôùi soùng cnoidal laø d/L < 1/8 hoaëc L2H/d3 > 26. Khi soùng daøi trôû neân daøi vaø tieán tôùi voâ cuøng, soùng cnoidal suy giaûm thaønh soùng ñôn. Vaø khi tæ soá H/d nhoû, ñöôøng maët soùng tieán tôùi daïng hình sin dieãn taû bôûi lyù thuyeát soùng tuyeán tính.

Caùc ñaëc tröng cuûa soùng ñöôïc moâ taû döôùi daïng tham soá k. Baûn thaân tham soá k khoâng coù yù nghóa vaät lyù, noù ñöôïc söû duïng ñeå dieãn taû caùc quan heä thoâng soá soùng thay ñoåi. Tung ñoä cuûa maët nöôùc ys ñöôïc ño töø ñaùy cho bôûi coâng thöùc:

(3.52)

Trong ñoù:

yt = khoaûng caùch töø ñaùy nöôùc ñeán buïng soùng.

cn = haøm cosine elip.

K(k) = tích phaân elip toaøn phaàn loaïi 1.

k = modun cuûa caùc tích phaân elip.

Argument cuûa cn2 thoâng thöôøng kyù hieäu ñôn giaûn bôûi ( ), do ñoù 3.52 coù theå vieát laïi nhö sau:

(3.53)

19

Cosine elip laø haøm coù chu ky,ø trong ñoù coù bieân ñoä laø ñôn vò. Modun k coù giaù trò trong khoaûng [0,1]. Khi k = 0 thì maët soùng coù daïng hình sin; khi k = 1 thì soùng laø soùng ñôn.

Khoaûng caùch töø ñaùy nöôùc ñeán buïng soùng yt ñöôïc cho bôûi phöông trình:

(3.54)

Trong ñoù:

yc = khoaûng caùch töø ñaùy nöôùc ñeán ñænh soùng.

E(k) = tích phaân elip toaøn phaàn loaïi 2.

Chieàu daøi soùng cho bôûi coâng thöùc:

(3.55)

Chu kyø soùng:

(3.56)

Soùng cnoidal laø soùng coù chu kyø vaø hình daïng laø oån ñònh, do ñoù L = C.T.

AÙp löïc beân döôùi moät soùng cnoidal taïi cao ñoä y beân treân ñaùy nöôùc phuï thuoäc toác ñoä cuûa phaàn töû nöôùc, vaø coù theå tính gaàn ñuùng ôû daïng aùp löïc tónh nhö sau:

(3.57)

Coù nghóa söï phaân boá aùp löïc ñöôïc giaû thieát thay ñoåi tuyeán tính töø giaù trò ρgys taïi ñaùy nöôùc vaø baèng 0 taïi maët soùng.

Caùc ñoà thò döôùi ñaây bieåu dieãn quan heä giöõa caùc thoâng soá soùng cnoidal.

20

21

22

23

24

25

26

27

Baøi taäp:

Soùng coù chu kyø 15s, chieàu cao H=1m. Ñoä saâu nöôùc d=3m.

Yeâu caàu:

a. Duøng lyù thuyeát soùng cnoidal tính chieàu daøi soùng L vaø so saùnh vôùi chieàu daøi tính theo lyù thuyeát soùng tuyeán tính.

b. Xaùc ñònh vaän toác soùng C vaø so saùnh vôùi vaän toác soùng tính theo lyù thuyeát soùng tuyeán tính.

c. Xaùc ñònh yc vaø yt.

d. Xaùc ñònh ñöôøng maët soùng.

3.3.4 Phaïm vi öùng duïng caùc lyù thuyeát soùng

Khi tính toaùn soùng, ngöôøi kyõ sö phaûi xaùc ñònh vuøng aùp duïng lyù thuyeát soùng hôïp lyù.

28

Vôùi caùc giaù trò cho tröôùc H, d vaø T, söû duïng hình treân ñeå löïa choïn lyù thuyeát soùng phuø hôïp. Giaù trò cuûa heä soá Ursell ñöôïc söû duïng ñeå thieát laäp caùc bieân cuûa caùc mieàn neân aùp duïng moät lyù thuyeát soùng cuï theå.

(3.58)

3.3.5 Taûi troïng soùng taùc duïng leân truï thaúng ñöùng

3.3.5.1 Taûi troïng soùng theo lyù thuyeát Airy leân truï thaúng ñöùng

a. Coâng thöùc Morixôn

Ñöôïc nghieân cöùu ñaàu tieân bôûi Morixôn vôùi giaû ñònh D λ < 0,1 (ñöôøng kính truï nhoû), neân boû qua bieán daïng maët soùng do töông taùc vôùi truï.

Giaû söû coù moät truï ñöôøng kính D ñöôïc ngaøm taïi ñaùy bieån, moät con soùng ñi qua coù vaän toác truyeàn soùng C. Chuyeån ñoäng cuûa caùc haït nöôùc treân quyõ ñaïo taùc ñoäng leân truï moät löïc phaân boá treân chieàu daøi truï.

Hình 3-10

( )

2

0,5 /4

D x x m xy

Df f C D v v C a

πρ ρ

= = ⋅ + ⋅ ⋅

(3.54)

Trong ñoù:

ρ = maät ñoä nöôùc bieån.

CD, Cm : heä soá söùc choáng toác ñoä vaø söùc choáng quaùn tính.

( CD = 0,16,0 ÷ ; Cm = 1,5 – 2,0)

Theo API: beå maët truï nhaün trôn : CD = 0,65; Cm = 1,6

Beà maët truï nhaùm : Cd = 1,05 ; Cm = 1,2

vx, ax : toác ñoä vaø gia toác theo phöông x cuûa phaàn töû nöôùc (laø haøm cuûa y)

Laáy tích phaân f(y), töø chaân coät ñeán ñænh soùng ta ñöôïc giaù trò toaøn boä cuûa taûi troïng soùng:

29

( )∫=y

yy dfF0

(KN)

Moâmen do löïc f(y) gaây ra taïi chaân coät laø:

( )∫ ⋅=y

ydyfyM0

(KN.m)

Ñieåm ñaët cuûa löïc F caùch chaân coät laø b:

F

Mb =

b. Taûi troïng soùng theo airy.

Chæ xeùt trưôøng hôïp soùng coù bieân ñoä nhoû, chieàu cao soùng H, taàn soá goùc ω vaø soá soùng k, ñoä saâu nöôùc h:

Vieát laïi coâng thöùc tính taûi troïng F:

D mF F F= + (3-55)

FD, Fm : taûi troïng töông öùng vôùi söùc choáng toác ñoä vaø söùc choáng quaùn tính.

Neáu D = const

( )2

2 2

2 2/ cos / cos

32

DD

C D Sh ky kyF H t t

k Sh kh Sh kh

ρω ω ω

⋅ ⋅ = +

(3-56)

tShkh

ShkyH

D

k

CF m

m ωωπρ

sin42

22

⋅⋅⋅

−= (3-57)

Töông töï ta tìm ñöôïc caùc bieåu thöùc momen:

( )2

12/ cos / cos

64

DD

C DM H Q t t

k

ρω ω ω= ⋅ (3-58)

2

2

22sin

2 4

mm

C DM HQ t

k

ρ πω ω

⋅= − ⋅ (3-59)

Vôùi

( )[ ]122221 2

21 ++−= kykychkykyshkhSh

Q

( )11

2 −−= chkykyshkyshkh

Q

Toång hôïp löïc cuûa taûi troïng soùng vaø moâmen cuûa noù ñöôïc tính khi theá η+= hy . Giaù trò η taïi thôøi ñieåm baát kyø tω ñöôïc xaùc ñònh töø ( ) ( ) tHtkxH ωωη cos.2cos2/ =−⋅=

Chuù yù: Neáu h/η nhoû, ta coù theå tính y = h

Trong tính toaùn tónh hoïc giaøn khoan ngöôøi ta phaûi tính toaùn giaøn chòu taûi troïng soùng max. Vì vaäy trong khi tìm Fx, ta phaûi tính vôùi nhieàu giaù trò khaùc nhau taïi caùc thôøi ñieåm tω khaùc nhau vaø choïn ra giaù trò max.

30

Tyû soá giöõa löïc lôùn nhaát do toác ñoä gaây ra (FD) vaø löïc lôùn nhaát do gia toác gaây ra (Fm) ñöôïc bieåu dieãn qua H, D:

max

max

D

m

F H

F Dµ= (µ : heä soá ñoäng hoïc dòch theå nhôùt) (3.60)

Löu yù raèng FDmax vaø FMmax khoâng ñaït ñöôïc taïi cuøng moät thôøi ñieåm

FDmax ñaït max khi 0=tω , khi ñoù Fm = 0

Fmmax ñaït max khi 2

t πω = , khi ñoù

FD = 0

Xeùt coâng thöùc (3-60)

Neáu ñöôøng kính coät lôùn:

maxmax1mD

FFH

D⋅=⇒≤ µ

Do max max1D m

F Fµ << ⇒ << � boû qua FDmax

Khi

+⋅=⇒≈+

khSh

kh

khSh

khSh

C

Chh

m

D

22

22

4

1

πµη (3-70)

Giaù trò gaàn ñuùng µ ñoái vôùi 0,5

D mC C = vaø caùc giaù trò khaùc nhau

2h khλ π= cho trong baûng döôùi ñaây:

Nhaän xeùt: Khi

=

=

1

3,0

DH

hλ thì 101,0=µ

⇒ maxmax10

1mD

FF =

Nhö vaäy, neáu 1H

D≤ thì coù theå boû qua

thaønh phaàn taûi troïng do toác ñoä khi tính gaàn ñuùng.

Coù theå tính gaàn ñuùng Fmax theo coâng thöùc sau:

( )2/1

2

max

2/12

max

2

maxmax 1

⋅+=+=

D

HFFFF

mDm

µ (3-71)

h/λ kh µ

0.05

0.10

0.30

0.50

1.00

∞

0.314

0.628

1.885

3.142

6.283

∞

0.510

0.250

0.101

0.008

0.008

0.008

31

(Neáu 25,0=D

Hµ thì sai soá do boû qua thaønh phaàn taûi troïng do toác ñoä seõ laø khoaûng 30%).

c. Moät soá chuù yù khi duøng coâng thöùc Morixon

• Hieäu öùng chuyeån ñoäng töông ñoái giöõa coät vaø nöôùc.

Trong coâng thöùc tính taûi troïng soùng, ta ñaõ giaû ñònh coät khoâng chuyeån ñoäng (ñöùng yeân). Nhöng treân thöïc teá, döôùi taùc ñoäng cuûa soùng, coät coù ít nhieàu dòch chuyeån. Chuyeån ñoäng töông ñoái naøy cuûa coät laøm giaûm thaønh phaàn quaùn tính cuûa taûi troïng soùng vaø ngöôøi ta goïi ñoù laø hieäu öùng chuyeån ñoäng töông ñoái.

Giaû söû xeùt moät phaàn töû coät thaúng ñöùng coù chieàu daøi ñôn vò vaø kyù hieäu:

F : taûi troïng naèm ngang toång quaùt, khoâng xeùt ñeán chuyeån ñoäng cuûa nöôùc

f: taûi troïng do nöôùc theo phöông trình Morixon.

x: chuyeån dòch ngang cuûa phaàn töû coät

m: khoái löôïng phaàn töû coät.

Ta coù phöông trình sau:

fFxm +=�� (3.72)

Khi ñoù, döïa treân phöông trình Morixon, coù xeùt dòch chuyeån cuûa phaàn töû coät

( ) ( ) xD

CaD

CxvxvDCf mxmxxD����

41

4//

2

1 22 πρ

πρρ −−+−−= (3-73)

x� = vaän toác chuyeån dòch cuûa coät

x�� = gia toác chuyeån dòch cuûa coät

Thay (3-73) vaøo (3-72) vaø ñaët ( )2

' 14

m

Dm C

πρ= −

Ta vieát laïi:

( ) ( ) xmxxD aD

CxvxvDCFxmm4

//2

1 2πρρ +−−+=′+ ���� .

Nhö vaäy, hieäu öùng chuyeån ñoäng töông ñoái laøm taêng khoái löôïng coät (ñoàng nghóa vôùi giaûm taûi troïng ngang)

m′ : khoái löôïng nöôùc keøm

mm ′+ : khoái löôïng hieäu quaû.

• Hieäu öùng cuûa ñöôøng kính coät

Nhö ñaõ neâu tröôùc ñaây, ñieàu kieän öùng duïng coâng thöùc Morixon laø 1D λ < . Tröôøng hôïp ngöôïc laïi, ñöôøng kính coät lôùn laøm bieán hình maët soùng, do ñoù caàn phaûi xeùt ñeán aûnh höôûng cuûa coät (hieäu öùng ñöôøng kính coät).

32

Tuy nhieân, khi ñöôøng kính coät coù theå so saùnh ñöôïc vôùi chieàu daøi soùng thì töø phöông trình:

D

H

F

F

m

D µ=max

max

Nhaän xeùt thaáy: khi D lôùn thì H D nhoû, do ñoù suy ra maxDF nhoû. Nhö vaäy khi xeùt hieäu öùng

ñöôøng kính coät ta chæ caàn xeùt thaønh phaàn Fmmax.

Theo lyù thuyeát soùng nhieàu xaï thì muoán xeùt hieäu öùng ñöôøng kính coät phaûi thay ñoåi giaù trò heä soá saûn quaùn tính trong phöông trình Morixon vaø ñem vaøo goùc tröôït pha nhö sau:

coù phöông trình ñöôøng maët soùng nhö sau:

( )tkxH

ωη −= cos2

taûi troïng treân 1 m daøi gaây ra do soùng tôùi leân coät thaúng ñöùng laø:

( )2

2sin

4 2D

D H chkyf C t

shkh

πρ ω ω= − − ∈ (3-73)

ôû ñaây ∈ laø goùc tröôït pha.

Hieäu öùng ñöôøng kính coät ñöôïc xeùt bôûi 2 ñaïi löôïng: khi D taêng thì CD thay ñoåi.

Hình 3-11 cho thaáy söï thay ñoåi heä soá Cm vaø ∈ theo D λ do söï bieán hình cuûa soùng khi chaûy qua coät hình truï.

Hình 3-11

3.3.6 Taûi troïng soùng leân thanh hình truï nghieâng

Trong giaøn khoan, ta thöôøng hay gaëp caùc thanh ngang, cheùo, xieân. Ñeå xaùc ñònh taûi troïng soùng leân caùc thanh naøy ta vaãn duøng coâng thöùc Morixon. Xeùt thanh hình truï ñònh vò baát kyø trong heä xyz, höôùng truyeàn soùng theo phöông x.

Khi ñoù, chuyeån ñoäng cuûa haït nöôùc luùc noåi soùng ñöôïc ñaëc tröng bôûi vx, vy vaø ax, ay. Ta söû duïng toaï ñoä cöïc ñeå cho tieän lôïi khi bieåu dieãn vò trí thanh.

Toác ñoä haït nöôùc vuoâng goùc vôùi truïc thanh xieân trong heä toaï ñoä cöïc ñöôïc tính theo coâng thöùc sau:

33

( )1/ 2

22 2

n x y x x y yv v v C v C v = + − +

(3.74)

Vaø caùc vaän toác thaønh phaàn cuûa vn trong höôùng x, y, z laø:

( )nx x x x x y yv v C C v C v= − +

( )ny y y x x y yv v C C v C v= − + (3-75)

( )nz z x x y yv C C v C v= − +

vôùi: 2 1sin cos xx

Lx xC

L Lϕ θ

−= = = Hình 3.12

2 1cosy

y

Ly yC

L Lϕ

−= = =

Caùc gia toác thaønh phaàn cuûa haït nöôùc vuoâng goùc vôùi truïc thanh truï xieân:

( )nx x x x x y ya a C C a C a= − +

( )ny y y x x y ya a C C a C a= − + (3-76)

( )nz z x x y ya C c a C a= − +

Taûi troïng treân 1 meùt daøi thanh theo Morixon:

21

2 4x D n nx m nx

Df C Dv v C a

πρ ρ= +

21

2 4y D n ny m ny

Df C Dv v C a

πρ ρ= + (3-77)

21

2 4z D n nz m nz

Df C Dv v C a

πρ ρ= +

Taûi troïng soùng treân moät ñôn vò daøi thanh:

( ) 2/1222

zyx ffff ++±= (3-78)

Daáu cuûa toång taûi troïng phuï thuoäc daáu caùc taûi thaønh phaàn fx, fy vaø fz.

Trong tröôøng hôïp chung: vx, vy, ax, ay thay ñoåi theo doïc truïc thanh thì toång taûi troïng thaønh phaàn treân moãi phöông ñöôïc tính baèng caùc tích phaân taûi troïng ñôn vò theo chieàu daøi thanh.

x x

s

F f ds= ⋅∫ ; y y

s

F f ds= ⋅∫ ;z z

s

F f ds= ⋅∫ (3-80)

Trong ñoù s laø phaàn thanh chòu taùc duïng cuûa soùng. Trong thöïc haønh, tích phaân treân ñöôïc tính baèng caùch chia thanh tính toaùn thaønh caùc ñoaïn nhoû ñeå tính.

Vôùi thanh coù chieàu daøi L töông ñoái ngaén thì ñaëc tröng chuyeån ñoäng nöôùc ôû hai ñaàu thanh coi nhö khoâng khaùc nhau nhieàu, do vaäy coù theå duøng giaù trò trung bình cuûa vx, vy vaø ax, ay

34

.x x

F f L= ; .y y

F f L= ; .z z

F f L= (3-79)

3.3.7 Tính taûi troïng soùng cöïc ñaïi naèm ngang Fx taùc duïng leân giaøn khoan (chòu taùc duïng cuûa soùng ñieàu hoaø)

Trình töï tính toaùn nhö sau:

Böôùc 1: Phaân tích khoái giaøn thaønh:

- Caùc truï chính chòu taùc ñoäng soùng.

- Hai maët ñoùn soùng (tröôùc, sau), goàm coù caùc thanh naèm ngang vaø caùc thanh giaèng cheùo.

- Hai maët beân ( truøng vôùi höôùng truyeàn soùng) chæ coù caùc thanh giaèng cheùo.

Böôùc 2: Gaén heä truïc toaï ñoä oxyz vaøo moät trong caùc truï cuûa maët ñoùn soùng ñaàu tieân, trong ñoù: ox – truøng vôùi höôùng truyeàn soùng; xoy – truøng vôùi moät trong hai maët beân.

Böôùc 3: Neáu truï naèm ñuùng goác toaï ñoä thì x=0 vaø söû duïng caùc coâng thöùc ñaõ laäp ñeå tính:

F = FD + Fm.

Khi truï naèm ôû khoaûng caùch xo so vôùi goác thì ñeå thu ñöôïc taûi troïng taùc duïng leân taát caû caùc boä phaän ñeàu ôû cuøng moät thôøi ñieåm ωt thì phaûi thay (kx - ωt) trong caùc coâng thöùc baèng (kxo-ωt).

Böôùc 4: Taûi troïng soùng naèm ngang treân caùc thanh coøn laïi ñöôïc xaùc ñònh baèng caùch tích phaân soá bieåu thöùc cuûa heä thöùc (9-77) coù xeùt söï bieán ñoåi ñaëc tröng chuyeån ñoäng cuûa nöôùc theo chieàu daøi thanh.

Böôùc 5: Taûi troïng naèm ngang taùc duïng treân coâng trình laø toång taûi troïng ngang taùc duïng treân caùc boä phaän ñöôïc tính.

Böôùc 6: Taûi troïng naèm ngang max tìm ñöôïc baèng caùch tính taûi troïng ngang vôùi nhieàu thôøi ñieåm ωt khaùc nhau, töø ñoù tìm ra Fmax.

3.3.8 Quy ñoåi taûi troïng soùng taùc duïng treân thanh veà taûi troïng nuùt ñaët taïi hai ñaàu thanh.

Khi tính chaân ñeá baèng coâng thöùc ma traän ñoä cöùng ñoøi hoûi phaûi ñoåi taûi troïng soùng ôû daïng phaân boá veà caùc löïc vaø momen nuùt töông ñöông.

Taûi troïng nuùt ñöôïc tính baèng toång caùc noäi löïc nuùt do taát caû caùc ñaàu thanh noái vaøo nuùt ñoù.

Ñeå xaùc ñònh ñöôïc caùc noäi löïc naøy thöôøng ngöôøi ta quy ñònh thôøi ñieåm cuûa chu kyø soùng ωt maø öùng vôùi thôøi ñieåm ñoù taûi troïng soùng ñaït cöïc ñaïi.

1/ Baøi toaùn

Caùc phaàn thanh naèm töø maët soùng trôû xuoáng ñeàu chòu taûi trong soùng. Caùc thanh chòu taûi troïng soùng döôùi daïng phaân boá f (kN/m) khaùc nhau theo chieàu doïc thanh.

Yeâu caàu chuyeån caùc taûi phaân boá veà taûi nuùt ñaët ôû 2 ñaàu thanh

35

2/ Caùch laøm

- Vì taûi troïng soùng theo chieàu daøi cuûa thanh ngaäp trong nöôùc neân trong thöïc haønh seõ tính taûi troïng aáy ôû moät soá ñieåm xaùc ñònh treân thanh.

+ Chia phaàn thanh ngaäp nöôùc thaønh 2 ñoaïn baèng nhau

+ Giaù trò taûi troïng soùng ñöôïc tính taïi 3 ñieåm laø f1, f2, f3. Löu yù laø fi bao goàm caùc thaønh phaàn laø fix vaø fiy (giôùi haïn trong maët phaúng khung).

+ Caùc taûi troïng nuùt ñöôïc tính theo coâng thöùc sau:

( ) ( ) ( )2 2 3 4

1 2 3 43 3 3 3

3 2 2

2 4 10A

ab l b ba l b l b a aF P P P P

l l l l

− − −= ⋅ + + −

ABFP

aF −= 1

2

( ) ( ) ( )2 2 3 4

1 2 3 42 2 2 2

2 3 3

2 6 12 20A

ab l b ba l b a l b aM P P P P

l l l l

− − −= + + −

AAB MlFPa

Pab

M +−+= .62

2

2

1

Pi laø caùc ñaïi löôïng trung gian, tính theo caùc coâng thöùc sau:

P1 = f1 + 2f2 + f3

P2 = 5f1 + 6f2 + f3

P3 = 17f1 + 14f2 + f3

P4 = 49f1 + 30f2 + f3

FA, FB vuoâng goùc vôùi truïc thanh, caàn phaûi chuyeån ñoåi caùc naøy theo caùc phöông cuûa heä truïc toaï ñoä.

3.4 Doøng chaûy vaø taûi troïng doøng chaûy

Doøng chaûy thuoäc vaøo loaïi chuyeån ñoäng cuûa khoái nöôùc bieån, ít thay ñoåi veà ñaëc tröng, noù laø keát quaû cuûa hieän töôïng thuyû trieàu, doàn nöôùc vì gioù, doøng chaûy soâng.

- Doøng chaûy soâng: Khoâng coù taùc duïng

- Doøng do gioù (doøng troâi) ít aûnh höôûng

- Doøng do thuyû trieàu: phuï thuoäc trieàu leân hay trieàu xuoáng maø vdc khaùc nhau. Ñaây laø ñoái töôïng thöôøng gaëp vaø caàn xeùt khi tính chaân ñeán giaøn khoan.

36

Giaû ñònh doøng chaûy: theo höôùng ngang vaø thay ñoåi theo chieàu saâu

- Trò soá vaø höôùng doøng thuyû trieàu treân maët nöôùc thöôøng ñöôïc ño ñaïc taïi choã xaây döïng coâng trình bieån.

- Chuù yù raèng höôùng doøng chaûy seõ thay ñoåi öùng vôùi möïc nöôùc naâng hay haï. Doøng chaûy do thuyû trieàu coù toác ñoä thay ñoåi theo chieàu saâu.

- toác ñoä doøng chaûy do gio ù(ugi) vaø do thuyû trieàu (utt) taïi ñoä saâu y ñöôïc tính theo coâng thöùc sau:

Trong ñoù: u0gi vaø u0tt laø toác ñoä doøng chaûy do gioù vaø do thuûy trieàu taïi maët nöôùc.

v10gi: vaän toác gioù taïi ñoä cao 10m caùch maët nöôùc.

Chuù yù:

- Trong ñieàu kieän baõo toá, doøng chaûy toàn taïi cuøng vôùi chuyeån ñoäng cuûa nöôùc do soùng. Höôùng cuûa doøng thuyû trieàu coù theå khoâng truøng vôùi höôùng lan truyeàn soùng, coøn höôùng doøng chaûy do doàn nöôùc vì gioù thì luoân truøng vôùi höôùng soùng.

- Soùng beà maët coù doøng chaûy khaùc vôùi soùng khoâng coù doøng chaûy. Coù theå döï tính raèng söï khaùc nhau cuûa caùc soùng naøy phuï thuoäc tyû soá toác ñoä doøng chaûy/toác ñoä truyeàn soùng.

- Ñoái vôùi soùng tính toaùn, öùng vôùi ñieàu kieän baõo cöïc maïnh, tyû soá naøy thöôøng raát nhoû. Ñieàu ñoù cho pheùp boû qua aûnh höôûng cuûa doøng chaûy ñeán soùng. Do vaäy, ñoái vôùi soùng ñieàu hoaø tính toaùn vaø vôùi doøng chaûy thay ñoåi baát kyø theo söï taêng ñoä saâu, vieäc xaùc ñònh taûi troïng leân coâng trình thöôøng ñöôïc thöïc hieän baèng caùch coäng goäp toác ñoä naèm ngang cuûa nöôùc (do soùng gaây ra) vôùi thaønh phaàn naèm ngang cuûa toác ñoä doøng chaûy theo höôùng lan truyeàn soùng.

vx = vxsoùng + vxdoøngchaûy.

0 10

1/ 7

; 1%gi gi ogi gi

tt ott

yu u u v

h

yu u

h

= =

=

37

Töø toång ñaïi soá ngang naøy, caû toång toác ñoä ñuùng nöõa cuøng vôùi 2 thaønh phaàn gia toác cuûa caùc haït nöôùc, ta xaùc ñònh ñöôïc taûi troïng cöïc ñaïi leân coâng trình, vaø noäi löïc ôû nuùt theo caùc phöông phaùp ñaõ trình baøy ôû treân ñoái vôùi taûi troïng soùng.

3.5 Troïng löôïng baûn thaân cuûa keát caáu

Khi xaùc ñònh taûi troïng do troïng löôïng baûn thaân cuûa keát caáu gaây ra, neáu boä phaän keát caáu chìm trong nöôùc thì caàn xeùt aûnh höôûng cuûa löïc ñaåy acsimet ñoái vôùi noù.

Troïng löôïng baûn thaân cuûa keát caáu ngaäp trong nöôùc laø troïng löôïng höõu hieäu

' .nW W Vγ= − (3-84)

Trong ñoù

W: troïng löôïng keát caáu treân khoâng khí.

γn : Dung löôïng nöôùc

V : theå tích phaàn chìm trong nöôùc

W’: troïng löôïng döôùi nöôùc cuûa thanh

Ta xeùt ví duï ñôn giaûn sau:

Coù moät truï, ñöôïc chia 2 phaàn töû. Troïng löôïng trong khoâng khí cuûa chuùng laø w1 vaø w2.

Giaû söû ñaát neàn baõo hoaø nöôùc neân aùp löïc loã roãng baèng aùp löïc thuyû tónh. Nghóa laø coi nhö khoâng coù ñaát. Löïc ñaåy (naâng) taùc duïng döôùi ñaàu coät baèng γA (h + d) ⇒ troïng löôïng coù hieäu cuûa truï baèng hieäu soá troïng löôïng thöïc teá (trong khoâng khí) vaø löïc naâng, nghóa laø:

( ) ( )dhAwwF n +−+= γ21

Tuy vaäy, vì löïc naâng taùc duïng chæ ôû muùt döôùi truï cho neân troïng löôïng coù hieäu cuûa phaàn töû 2-3 (tính töø ñaùy nöôùc) baèng chính troïng löôïng cuûa noù.

Nhaän xeùt naøy coù yù nghóa quan troïng khi xaùc ñònh caùc taûi troïng nuùt treân coâng trình do troïng löôïng baûn thaân vaø löïc gaây ra.

3.6 Taûi troïng do taàu

- Taàu khi vaøo beán hay ñoã ôû beán giaøn khoan laø taàu coù D ≤ 5000T. Neáu löôïng thoaùt nöôùc lôùn hôn thì caàn duøng taàu keùo khi ra, vaøo beán.

38

- Taûi troïng do taàu bao goàm: löïc neo taàu, löïc töïa taàu vaø löïc va.

- Khi xaùc ñònh caùc taûi troïng do taàu caàn phaûi xeùt caùc ñieàu kieän thuyû vaên, khí töôïng sau:

+ Chieàu cao soùng h = 1,5m

+ toác ñoä gioù treân höôùng töïa taàu: v = 1,5m/s

+ Toác ñoä doøng chaûy: v = 0,6m/s (neáu lôùn hôn phaûi duøng taàu keùo)

- Naêng löôïng va taàu E neân xaùc ñònh theo coâng thöùc:

2

2

c bD DE vυ

+= ⋅ (3-85)

v: thaønh phaàn phaùp tuyeán toác ñoä ñeán cuûa taàu ( vaøo maët beân coâng trình):

Taàu

Thaønh phaàn phaùp tuyeán toác ñoä cuûa taàu v(m/s) vôùi löôïng giaõn nöôùc tính toaùn 103T

<2 5 10 20 40 100 ≥200

v 0,22 0,15 0,13 0,11 0,10 0,09 0,08

Dc: löôïng giaõn nöôùc cuûa taàu (T)

υ: Heä soá xeùt kieåu ke át caáu beán, υ = 1,6

Db: Khoái nöôùc cuoán theo (T)

4

2 LTD bb

πρ=

ρb: maät ñoä nöôùc bieån T/m3 ρ = 1,05 T/m3

T: môùn nöôùc cuûa taàu (m)

L: Chieàu daøi taàu (m)

3.7 Taûi troïng thi coâng

Vieäc phaân tích tính toaùn phuï thuoäc vaøo sô ñoà, trình töï thi coâng.

1

CHÖÔNG 4

TÍNH TOAÙN MOÙNG COÏC

4.1 Xaùc ñònh sô boä taûi troïng taùc duïng leân coïc.

Taûi troïng taùc duïng leân coïc ñöôïc xaùc ñònh döïa vaøo coâng thöùc sau:

2 2

yx

i i

M xM yPN

n y x= ± ±

∑ ∑ (4.1)

Trong ñoù:

P = toång taûi troïng ñöùng leân chaân ñeá.

Mx, My = moâmen öùng vôùi caùc truïc x, y taïi cao ñoä ñænh coïc.

xi, yi = toïa ñoä cuûa coïc thöùc i.

x, y = toïa ñoä cuûa coïc ñang xeùt.

4.2 Söùc chòu taûi doïc truïc cuûa coïc (theo API).

4.2.1 Söùc chòu taûi cöïc haïn vaø söùc chòu taûi cho pheùp.

Söùc chòu taûi cöïc haïn cuûa coïc ñöôïc tính theo coâng thöùc sau:

d f p s pQ Q Q fA qA= + = + (4.2)

Trong ñoù:

Qf = söùc khaùng ma saùt (kN)

Qp = söùc khaùng muõi (kN)

f = söùc khaùng ma saùt ñôn vò (kPa).

As = dieän tích maët beân cuûa coïc (m2).

q = söùc khaùng muõi ñôn vò (kPa).

Aq = dieän tích toaøn boä muõi coïc (m2).

Toång söùc khaùng muõi Qp khoâng ñöôïc vöôït quaù toång söùc khaùng ma saùt cuûa loõi ñaát beân trong coïc. Trong tính toaùn taûi troïng vaø söùc khaùng, phaûi xeùt ñeán troïng löôïng cuûa coïc, loõi ñaát vaø löïc ñaåy noåi.

Söùc chòu taûi cho pheùp cuûa coïc ñöôïc xaùc ñònh baèng coâng thöùc sau:

da

QQ

FS= (4.8)

Trong ñoù FS laø heä soá an toaøn, laáy khoâng nhoû hôn caùc giaù trò sau:

Ñieàu kieän taûi troïng FS

1. Ñieàu kieän moâi tröôøng thieát keá vôùi taûi troïng khoan phuø hôïp 1.5

2. Ñieàu kieän moâi tröôøng khai thaùc trong quaù trình khoan. 2.0

2

3. Ñieàu kieän moâi tröôøng thieát keá vôùi taûi troïng saûn xuaát phuø hôïp 1.5

4. Ñieàu kieän moâi tröôøng khai thaùc trong khi hoaït ñoäng saûn xuaát 2.0

5. Ñieàu kieän moâi tröôøng thieát keá vôùi taûi troïng nhoû nhaát 1.5

4.2.2 Söùc khaùng ma saùt vaø söùc khaùng muõi cuûa coïc trong ñaát dính.

Ñoái vôùi coïc oáng trong ñaát dính, söùc khaùng ma saùt ñôn vò f (kPa) taïi ñieåm baát kyø ñöôïc tính theo coâng thöùc:

f cα= (4.3)

Trong ñoù:

c = söùc khaùng caét khoâng thoaùt nöôùc cuûa ñaát taïi ñieåm ñang xeùt.

α = heä soá khoâng thöù nguyeân, ñöôïc tính theo phöông trình:

0.5

0.25

0.5 , 1.0

0.5 , 1.0

α ψ ψ

α ψ ψ

−

−

= ≤

= > (4.4)

Vôùi ñaát seùt coá keát thöôøng, α ≤ 1.0. Tuy nhieân, ñoái vôùi ñaát seùt quaù coá keát thì α thoâng thöôøng laáy baèng 1.0

,

0c pψ =

,

0p = aùp löïc thaúng ñöùng höõu hieäu taïi ñieåm ñang xeùt (kPa).

Khi muõi coïc ñaët trong ñaát dính, söùc khaùng muõi ñôn vò tính theo coâng thöùc sau:

9q c= (4.5)

Söùc khaùng ma saùt taùc duïng leân maët ngoaøi vaø maët trong loøng coïc oáng. Toång söùc khaùng laø toång cuûa 3 thaønh phaàn: (1) söùc khaùng ma saùt maët ngoaøi coïc; (2) söùc khaùng muõi leân dieän tích thöïc cuûa muõi coïc (dieän tích vaønh khaên); (3) giaù trò nhoû hôn cuûa: söùc khaùng ma saùt maët trong coïc oáng vaø söùc khaùng muõi taùc duïng leân phaàn loõi ñaát.

Vôùi coïc ñöôïc xem nhö bò bòt muõi, söùc khaùng muõi coù theå coi nhö taùc duïng leân toaøn boä maët caét ngang cuûa coïc. Ñoái vôùi coïc khoâng bòt muõi, söùc khaùng muõi chæ taùc duïng leân phaàn töôøng coïc. Coïc coù ñöôïc coi laø ñöôïc bòt muõi hay khoâng coù theå döïa vaøo tính toaùn tónh. Ví duï, moät coïc coù theå ñöôïc ñoùng trong ñieàu kieän khoâng bòt muõi nhöng laïi ñöôïc xem nhö bò bòt muõi döôùi taùc duïng cuûa taûi troïng tónh.

4.2.3 Söùc khaùng ma saùt vaø söùc khaùng muõi cuûa coïc trong ñaát rôøi.

Ñoái vôùi coïc oáng trong ñaát rôøi, söùc khaùng ma saùt f(kPa) ñöôïc tính theo coâng thöùc sau:

tano

f Kp δ= (4.6)

Trong ñoù:

K = heä soá aùp löïc ñaát theo phöông ngang (tyû soá giöõa öùng suaát phaùp höõu hieäu theo phöông ngang vaø theo phöông ñöùng).

3

po = aùp löïc höõu hieäu do taâng phuû taïi ñoä saâu tính toaùn.

δ = goùc ma saùt giöõa ñaát vaø coïc.

Ñoái vôùi coïc muõi hôû ñöôïc ñoùng khoâng bòt muõi thì thöôøng laáy K = 0.8 cho caû tröôøng hôïp taûi keùo vaø neùn. Giaù trò K ñoái vôùi coïc chuyeån vò ñaày ñuû (coïc bòt muõi hoaëc muõi kín) coù theå laáy baèng 1.0. Neáu thieáu soá lieäu tính toaùn coù theå laáy δ theo baûng 4.1. Ñoái vôùi coïc daøi, f khoâng taêng voâ haïn theo aùp löïc höõu hieäu cuûa taàng phuû nhö theo coâng thöùc 4.6. Trong tröôøng hôïp ñoù, giaù trò giôùi haïn cuûa f ñöôïc cho trong baûng 4.1.

Ñoái vôùi coïc coù muõi ñaët trong ñaát rôøi, söùc khaùng muõi ñôn vò q(kPa) coù theå tính theo coâng thöùc sau:

o q

q p N= (4.7)

Trong ñoù:

po = aùp löïc höõu hieäu do taàng phuû taïi ñoä saâu muõi coïc.

Nq = heä soá söùc khaùng khoâng thöù nguyeân.

Giaù trò gôïi yù cuûa Nq cho trong baûng 4.1. Giaù trò giôùi haïn cuûa q cuõng ñöôïc cho trong baûng 4.1. Moät soá chuù yù khi tính toaùn toång söùc khaùng töông töï nhö phaàn treân.

Baûng 4.1: Caùc thoâng soá thieát keá ñoái vôùi ñaát caùt

Ñoä chaët Moâ taû ñaát δ (ñoä) Giaù trò giôùi haïn cuûa f (kPa)

Nq Giaù trò giôùi haïn cuûa q (Mpa)

Raát xoáp

Xoáp

Trung bình

Caùt

Caùt boät

Boät

15 47.8 8 1.9

Xoáp

Trung bình

Chaët

Caùt

Caùt boät

Boät

20 67.0 12 2.9

Trung bình

Chaët

Caùt

Caùt boät

25 81.3 20 4.8

Chaët

Raát chaët

Caùt

Caùt boät

30 95.7 40 9.6

Chaët

Raát chaët

Soûi

Caùt

35 114.8 50 12.0

4

4.2.4 Ma saùt vaø söùc khaùng muõi cuûa coïc ñuùc trong ñaù.

Ma saùt beân ñôn vò cuûa coïc ñuùc trong hoá khoan trong ñaù khoâng ñöôïc vöôït quaù söùc khaùng caét ba truïc cuûa ñaù hoaëc cuûa beâtoâng, nhöng noùi chung phaûi nhoû hôn nhieàu giaù trò naøy döïa treân toång söùc khaùng caét bò giaûm trong quaù trình xaây döïng. Ví duï söùc khaùng cuûa ñaù phieán leøn chaët khoâ coù theå bò giaûm nhieàu khi bò ngaäp nöôùc trong quaù trình khoan hoaëc xoùi nöôùc ñeå taïo loã. Vaùch hoá khoan coù theå hình thaønh moät lôùp buøn hoaëc seùt laøm giaûm söùc khaùng ma saùt giöõa coïc vaø ñaù. Giaù trò söùc khaùng ma saùt giôùi haïn ñoái vôùi loaïi coïc naøy coù theå laø löïc dính keát giöõa coïc vaø vöõa.

Söùc khaùng muõi cuûa ñaù phaûi ñöôïc xaùc ñònh töø söùc khaùng caét ba truïc cuûa ñaù vaø moät heä soá söùc khaùng phuø hôïp döïa treân kyõ thuaät thaêm doø vaät lieäu ñaù, nhöng khoâng ñöôïc vöôït quaù 9,58MPa.

4.2.5 Söùc chòu taûi nhoå cuûa coïc.

Söùc chòu taûi nhoå cöïc haïn cuûa coïc coù theå baèng hoaëc nhoû hôn, nhöng khoâng ñöôïc vöôït quaù toång söùc khaùng ma saùt Qf. Troïng löôïng hieäu quaû cuûa coïc vaø loõi ñaát tính ñeán löïc ñaåy noåi phaûi ñöôïc xem xeùt khi phaân tích tính toaùn söùc chòu taûi nhoå cuûa coïc. Ñoái vôùi ñaát seùt, f tính theo muïc 4.2.2. Ñoái vôùi ñaát caùt, f tính theo muïc 4.2.3; Ñoái vôùi ñaù, f phaûi ñöôïc tính nhö höôùng daãn ôû muïc 4.2.4.

Söùc chòu taûi nhoå cho pheùp phaûi ñöôïc xaùc ñònh baèng caùch aùp duïng caùc heä soá an toaøn nhö trong muïc 4.2.1.

4.2.6 Phaûn löïc ñaøn hoài cuûa coïc khi chòu löïc doïc truïc.

Baøi toaùn: Bieát coïc coù ñöôøng kính D, chieàu daøi L. Yeâu caàu tìm löïc doïc truïc F0 ñaët taïi ñænh coïc ñeå cho ñaàu coïc luùn xuoáng 1 ñôn vò (hình 4.1).

Giaû thieát:

- Taûi troïng treân ñaàu coïc luoân nhoû hôn hoaëc baèng söùc chòu taûi cho pheùp cuûa coïc

F0 ≤ [Φ]

- Boû qua söùc khaùng ôû muõi coïc (R=0).

Vì coïc thöôøng raát daøi neân thaønh phaàn söùc chòu taûi beân chieám tæ leä lôùn, coøn söùc chòu taûi muõi chieám tyû leä nhoû hôn. Söùc khaùng beân phaûi ñöôïc huy ñoäng tröôùc, sau ñoù môùi huy ñoäng ñeán söùc khaùng muõi.

Khi coïc chòu taûi troïng ñaët taïi ñaàu coïc nhoû hôn söùc chòu taûi cho pheùp, treân maët beân cuûa coïc xuaát hieän söùc choáng tröôït ñaøn hoài (khoâng phaûi laø thaønh phaàn söùc khaùng ma saùt), ñoù laø löïc baùm dính ñaøn hoài xaûy ra treân beà maët tieáp xuùc giöõa coïc vaø ñaát.

Hình 4.1

Hình 4.2

5

Hình 4.2 laø giaûn ñoà quan heä giöõa löïc ma saùt vaø ñoä luùn taïi 1 ñieåm naøo ñoù treân coïc. Trong ñoù: S laø ñoä luùn ñaøn hoài (5 ÷ 10mm); fa laø löïc dính baùm ñaøn hoài hay löïc choáng tröôït ñaøn hoài.

Thaønh phaàn choáng chuyeån vò thaúng ñöùng chuû yeáu do söùc khaùng tröôït ñaøn hoài cuûa ñaát ôû maët beân cuûa coïc.

Ta coù quan heä sau:

aa a

a

f S Sf k

k D D= ⇒ = (4.8)

trong ñoù : ka = heä soá coù thöù nguyeân löïc/dieän tích.

Taùch moät phaàn töû coïc coù chieàu daøi dy, töø ñieàu kieän caân baèng phaàn töû coïc, ta coù :

.

.

a y a

aa

dFF dF D f d F Df

dy

hay

k SdFD S k

dy D

π π

π π

+ + = ⇒ = −

= − = −

(4.9)

trong ñoù : F = löïc doïc taïi maët treân phaân toá, mang daáu döông khi neùn.

Bieán daïng töông ñoái cuûa phaân toá laø :

dSe

dy= − (4.10)

Theo ñònh luaät Hook :

F dSe F EAe EA

EA dy= ⇒ = = − (4.11)

trong ñoù :

A = dieän tích tieát dieän ngang cuûa coïc oáng (dieän tích vaønh khuyeân).

e = bieán daïng doïc truïc cuûa coïc (mang daáu döông khi neùn).

Töø caùc coâng thöùc (4.9) vaø (4.11) suy ra :

2

20akd S

Sdy EA

π− = (4.13)

Nghieäm cuûa phöông trình vi phaân (4.13) coù daïng :

( ) ( )1 2S C ch y C sh yα α= + (4.14)

vôùi ak

EA

πα =

trong ñoù :

ka ñöôïc xaùc ñònh qua thí nghieäm hieän tröôøng, tröôøng hôïp khoâng coù soá lieäu thí nghieäm coù theå laáy nhö sau :

6

ka = 7,5MPa ñoái vôùi ñaát seùt.

ka = 9,0MPa ñoái vôùi caùt.

C1, C2 laø caùc haèng soá tích phaân, ñöôïc xaùc ñònh theo ñieàu kieän bieân.

taïi y = 0 thì F = F0.

y = L thì F = 0.

Töø ñoù suy ra :

( )0

1

02

cothF

C LEA

FC

EA

αα

α

=

= −

(4.15)

Phöông trình (4.14) coù theå vieát laïi nhö sau :

( )0 coth .cosh sinhF

S L y yEA

α α αα

= − (4.16)

(4.16) laø phöông trình ñoä luùn cuûa coïc.

Taïi y = 0 ta coù

00 coth

FS S L

EAα

α= = (4.17)

Trong ñoù :

S0 = ñoä luùn ñaàu coïc döôùi taùc duïng cuûa löïc F0.

Cho S0 = 1 thì F0 laø löïc doïc truïc caàn thieát ñeå taïo ra ñoä luùn baèng 1 ñôn vò taïi ñaàu coïc.

0 0tanhcoth

EAF EA L K

L

αα α

α= = = (4.18)

K0 laø ñoä cöùng choáng chuyeån vò thaúng ñöùng taïi ñaàu coïc. Ñaây laø tham soá caàn thieát ñeå tính moùng coïc trong giaøn khoan.

4.3 Tính moùng coïc chòu taûi troïng ngang theo phöông phaùp p-y.

Đường cong quan hệ giữa áp lực

ngang (p) và chuyển vị ngang (y)

được xây dựng trên cơ sở sử dụng

số liệu về ứng suất – biến dạng

của mẫu đất thí nghiệm trong

phòng. Đường cong p-y vẽ trên

hệ trục có trục tung là áp lực

ngang p và trục hoành là chuyển

vị ngang y.

Dưới tác dụng của lực ngang tại

đầu cọc P0, cọc bị chuyển vị ngang là y, khi đó đất nền sinh ra một phản lực là p (cả y và p đều thay đổi theo

Hình 1 u

p

ugh

pmax

7

độ sâu z). P0 tăng thì y tăng dẫn đến p tăng. Khi P0 tăng đến một giá trị nào đó

thì có hiện tượng p không tăng nữa, mặc dù chuyển vị y vẫn tăng nhanh. Đường

biểu diễn quan hệ áp lực (p) và chuyển vị (y) được gọi là đường cong p-y.

Tại mỗi độ sâu, hay mỗi tiết diện cọc ta có một quan hệ p-y tương ứng.

Như vậy, nếu biết được quan hệ p-y tại một độ sâu nào đó, thì khi có chuyển vị ngang y ta có thể tính được áp lực đất lên cọc p tương ứng tại độ sâu đó.

Ứng với mỗi điều kiện địa chất, điều kiện tải trọng ta có thể thiết lập được

đường cong p-y ở các độ sâu khác nhau thông qua thực nghiệm ở hiện trường.

Đã có nhiều tác giả nghiên cứu và đề xuất nhiều phương án thiết lập đường p~y.

Việc chọn quan hệ nào để sử dụng thiết kế cần dựa trên những phân tích kỹ

lưỡng đảm bảo sự phù hợp của kết quả tính toán với các kết quả thí nghiệm.

Sử dụng phương pháp đơn giản hoá của Dawson để thiết lập quan hệ p-y có

dạng đơn giản là các đa tuyến biểu diễn như trong hình 2.

yQ p

z=z 1

z=z 2

z=z 3

z=z 4

z

Phaûn löïc ñaát, p

Chuyeån vò ngang, y

z1

z2

z3

z4

(a) (b)

8

Hình 2: Sơ đồ tính toán của cọc chịu lực ngang theo phương pháp

đường cong p – y đơn giản hoá của Dawson

+ Đường cong p – y có dạng đơn giản: đa tuyến tính theo điều kiện

ứng suất – biến dạng của vật liệu đàn hồi – dẻo lý tưởng với hai

tham số đặc trưng ký hiệu N và k (xem sơ đồ hình 2).

+ Dưới tác dụng của lực ngang đủ lớn, cọc sẽ chuyển vị và trong toàn

bộ tầng đất mà cọc đóng qua sẽ hình thành 2 vùng phân biệt: vùng

phía trên là vùng dẻo còn vùng còn lại phía dưới – vùng đàn hồi.

+ Chuyển vị – nội lực trong cọc, lúc này được xác định bởi lời giải

giải tích của phương trình vi phân uốn cọc bậc 4.

2.3.1. Tính toán cọc chịu tải trọng ngang theo phương pháp p-y của Dawson.

a. Đường p-y của Dawson.

Giả thiết nền xung quanh cọc được chia thành 2 miền: đàn hồi (khi y ≤ y*) và

dẻo (khi y > y*).

Dawson sử dụng quan hệ p-y theo đường gãy khúc, không thứ nguyên như sau:

,p y

fkD D k

σ =

(4.19)

Trong đó:

f = ký hiệu hàm số.

p = phản lực của đất nền phân bố đều trên chiều dài cọc, kN/m.

y = chuyển vị ngang của cọc, m.

D = đường kính ngoài của cọc, m.

σ = thông số đặc trưng cho độ bền của đất nền, kPa.

(b)(a)

z4

z3 z2 z1

Chuyển vị ngang, y

Phản lực đất, p

z

z=z 4

z=z 3

z=z 2

z=z 1

pQ y

9

- Đối với đất dính: .u

c a b yσ = = + (4.20)

- Đối với đất cát: . '.p

K yσ γ= (4.21)

1 sin

1 sinpK

ϕ

ϕ

+=

−

k = hệ số đặc trưng cho tính đàn hồi của đất, kPa.

- khi đất nền làm việc trong giai đoạn dẻo *y D y D> , phản lực nền đạt giá trị max:

ax *mp p NDσ= = (4.22)

- khi đất nền làm việc trong giai đoạn đàn hồi *y D y D≤ , phản lực nền:

.p k y= (4.23)

Trong đó:

N, k = hệ số xác định theo thí nghiệm hiện trường, coi như không thay đổi

theo độ sâu, lấy như sau:

- Đất sét mềm: N = 3,5; k = 22 Mpa.

- Cát: N = 1,8; k = 8,3 Mpa.

Tại ranh giới giữa vùng dẻo và vùng đàn hồi của đất nền có pmax = p, do đó có

quan hệ:

*y N

D k

σ= (4.24)

b. Phương trình đường đàn hồi của cọc.

Phương trình đường đàn hồi của cọc có dạng sau:

( )( )

4

4

d y zEJ p z

dz= − (4.25)

Phương trình trên được cụ thể hóa cho các vùng của đất nền:

* Đối với vùng dẻo z < Ld (chiều sâu vùng dẻo).

( )4

1 24.

d y zEJ P P z

dz= − − (4.26)

- Với đất cát: 1

2

2

0( / )

'( / )p

P kN m

P NDK kN mγ

=

= (4.27)

- Với đất sét: 1

2

2

( / )

( / )

P NDa kN m

P NDb kN m

=

= (4.28)

Sau khi tích phân phương trình trên và sử dụng các điều kiện biên tại z = 0:

10

2

02

3

03

d yEJ M

dz

d yEJ P

dz

=

=

(4.29)

ta tìm được nghiệm của phương trình như sau:

3 24 5

0 01 2 1 2

1

EJ 24 120 6 2

P z M zz zy P P C z C

= − − + + + +

(4.30)

C1, C2 là các hằng số tích phân.

* Đối với vùng đàn hồi z ≥ Ld (chiều sâu vùng dẻo).

( )4

40

d y zEJ ky

dz+ = (4.31)

Nghiệm của phương trình này là:

( )'

3 4

1cos ' sin '

EJ

zy e C z C zβ β β−= + (4.32)

'd

z z L= − (4.33)

4k

EJβ = (4.34)

C3, C4 là các hằng số tích phân.

Giả thiết cọc thỏa mãn điều kiện cọc dài, có nghĩa 3d

L L β− ≥

c. Xác định Ld và các hằng số tích phân.

Từ các quan hệ trong sức bền vật liệu, lấy đạo hàm các cấp đối với phương trình

(4.30), thay z = Ld ta được M* và Q* tại ranh giới của 2 vùng:

2 3* 1 2

0 02 6

d dd

PL P LM P L M= − − + + (4.35)

2* 2

1 02

dd

P LQ PL P= + − (4.36)

Lấy đạo hàm phương trình (4.32) và cho z’=0 ta được giá trị momen và lực cắt

tại z’=0. Theo điều kiện liên tục thì giá trị momen và lực cắt tại z=Ld phải tương

ứng bằng giá trị momen và lực cắt tại z’=0, từ đó ta có:

( )* * 3

3 2C M Qβ β= − (4.37)

* 2

4 2C M β= − (4.38)

Xét phương trình (4.26):

- Vế phải thay z = Ld.

11

- Vế trái thay bằng (4.32) sau khi đã lấy đạo hàm bậc 4, đồng thời thay C3, C4 từ

(4.37) và (4.38) rút ra

( ) 2 * *

1 22d

P P L M Qβ β+ = − (4.39)

Từ biểu thức này có thể tìm được Ld.

- Nếu Ld≤0 có nghĩa đất nền không xuất hiện vùng dẻo, cọc làm việc hoàn toàn

trong môi trường đàn hồi của đất nền.

- Nếu Ld>0 có nghĩa có xuất hiện vùng dẻo, khi đó tiếp tục xác định C1, C2.

Tìm C1, C2 xuất phát từ điều kiện độ võng và góc xoay của cọc tại tiết diện z=Ld

của vùng dẻo tương ứng bằng các giá trị độ võng và góc xoay tại tiết diện z’=0

của vùng đàn hồi, tìm được:

3 4 2* *

1 2 01 02

2

2 6 24 2

d d d

d

PL P L P LQ MC M L

β

β

−= + + − − (4.40)

( ) ( )* * 4 5 3 2

1 2 0 02 2 3

1 2 1

2 2 8 30 3 2

d d d d d dL M L Q PL P L P L M L

Cβ β

β β

+ += − − − + + (4.41)

Sau khi tìm được Ld và các hằng số tích phân, thay thế vào các phương trình độ

võng (4.30) và (4.32), sử dụng các quan hệ đã biết trong sức bền vật liệu để tìm

nội lực và chuyển vị của cọc dọc theo trục cọc.