CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 1. Sơ lược về san hô và nền san hô Nghiên cứu san hô để phục vụ cho thiết kế và xây dựng công trình là một lĩnh vực khoa học phức tạp, sự phức tạp ở đây là do điều kiện để nghiên cứu khó khăn, chỉ tiêu cơ lý của vật liệu san hô có sự phân tán lớn ở mỗi vị trí địa lý, trên một vùng lấy mẫu, thậm chí tại cùng một đảo. Với những quan niệm khác nhau về mô hình, phương pháp tính và sự phức tạp trong nghiên cứu san hô đã làm ảnh hưởng lớn đến hiệu quả thiết kế, thi công, sử dụng các công trình biển đảo. Trong những năm qua, các nghiên cứu về san hô, đặc biệt là các nghiên cứu trong nước đã có được bức tranh tổng thể về chỉ tiêu cơ lý của san hô và nền san hô.
Kết quả nghiên cứu tuy chưa đạt được như kỳ vọng, song cũng đã thu được nhiều thành tự quan trọng, đặc biệt về các chỉ tiêu kỹ thuật của nền san hô phục vụ số liệu đầu vào cho tính toán, thiết kế, thi công các công trình biển đảo. Các kết quả nghiên cứu về đặc điểm địa chất công trình và chỉ tiêu kỹ thuật của nền san hô theo cơ học công trình được công bố trong [5], [13], [14], [16],[17], [30] cho thấy: - Vật liệu san hô có cấu trúc phức tạp, có độ rỗng khá cao, đặc trưng điển hình là tính giòn, quan hệ giữa ứng suất và biến dạng có thể xem như tuyến tính, liên kết giữa bề mặt kết cấu và nền san hô là liên kết một chiều, nghĩa là nền san hô chỉ chịu nén, không chịu kéo. - Tính chất cơ lý của san hô phụ thuộc vào cấu trúc thạch học, quá trình hình thành trầm tích do biển tiến, biển thoái trong sự vận động trái đất. Theo chiều sâu, nền san hô có cấu trúc phân lớp, có tính phân nhịp, luan an 6 mỗi nhịp có 2 đến 4 lớp phù hợp với qui luật về mối quan hệ giữa sự thành tạo cấu trúc nhịp trong đá san hô với sự thăng trầm của mực nước biển.
- Tính chất cơ lý của san hô phụ thuộc khá nhiều vào trạng thái khô hay ngậm nước (nền san tại các bãi cạn ven đảo), cụ thể: Đối với trạng thái khô, mô đun đàn hồi của các lớp vật liệu san hô biến thiên từ 0,19104kG/cm2 đến 3,79104 kG/cm2, hệ số Poisson biến thiên từ 0,14 đến 0,47, khối lượng riêng biến thiên từ 2,3103 kg/m3 đến 2,8103 kg/m3; Đối với trạng thái ngậm nước, đá san hô đã bị mềm hoá, nên khả năng chịu lực kém hơn. Mô đun đàn hồi của các lớp vật liệu san hô biến thiên từ 0,11104 kG/cm2 đến 2,84104 kG/cm2, hệ số Poisson biến thiên từ 0,21 đến 0,43, khối lượng riêng biến thiên từ 2,8103 kg/m3 đến 3,2103 kg/m3; Hệ số ma sát giữa bề mặt vật liệu san hô và bề mặt bê tông biến thiên từ 0,39 đến 0,45 và giữa bề mặt san hô và bề mặt thép biến thiên từ 0,29 đến 0,36. Công trình biển và tải trọng phổ biến tác dụng lên công trình biển 1. Tổng quan về công trình biển Công trình biển được xây dựng và khai thác sử dụng trong các điều kiện tác động của môi trường biển.
- Công trình biển được phân thành công trình biển ven bờ (kè bờ biển, đê bao, cảng biển, .), công trình biển ngoài khơi (giàn khoan dầu khí, nhà giàn DKI) và công trình biển ngoài hải đảo (kè chống xói lở đảo, bến cập tàu, cập xuồng, âu tàu, các công trình trên đảo,. - Công trình biển ngoài khơi bao gồm công trình biển di động (giàn khoan di động, tàu khoan, .) và công trình biển cố định. Công trình biển cố định là loại công trình cố định với nền tại một vị trí trong suốt thời gian luan an 7 sử dụng (giàn khoan dầu khí cố định, trạm nghiên cứu khí tượng thuỷ hải văn trên biển, nhà giàn DKI,. - Cho đến nay, kết cấu chịu lực chính của công trình biển cố định thường được làm bằng vật liệu thép, bê tông cốt thép hoặc bằng vật liệu tổng hợp, trong đó công trình biển cố định bằng thép là loại được sử dụng phổ biến.
Trên thế giới, ở một số quốc gia có biển, các loại công trình biển được nghiên cứu và xây dựng từ khá sớm, đến này đã đạt được nhiều thành tựu và quy mô đáng kể, đặc biệt là các công trình biển phục vụ khai thác dầu khí, quan trắc khí tượng thuỷ hải văn. Theo đó, năm 1947 giàn khoan khung ống thép cố định đầu tiên được xây dựng ở độ sâu 6m trên Vịnh Mexich thuộc Mêxicô, năm 1949 các giàn khoan khác đã lần lượt được xây dựng tại nhiều nước, độ sâu nước đạt đến 15m. Năm 1950 xuất hiện giàn khoan đạt độ sâu 30m nước, đến năm 1960 độ sâu này tăng đến 60m nước và chỉ trong vòng 10 năm tiếp theo, năm 1970 đã xuất hiện giàn khoan đặt ở độ sâu 300m nước, đạt kỷ lục quan trọng trong các công trình biển ngoài khơi nói chung và ngành khai thác dầu khí nói riêng, điều này chứng tỏ sự phát triển vượt bậc của kỹ thuật tính toán, thiết kế và thi công các loại công trình biển dạng này. Ngày nay do nhu cầu năng lượng tăng mạnh, xu thế chung của thế giới là khai thác dầu khí biển ngày càng ra xa bờ, với độ sâu nước ngày càng tăng.
luan an 8 Hình 1. Công trình biển cố định kiểu Jacket đầu tiên ở Louisiana (Mỹ) Đến nay toàn thế giới đã có hàng chục nghìn công trình biển cố định được xây dựng. Trong đó có 7 công trình với độ sâu nước trên 300m [9]. Giữ kỷ lục hiện nay về độ sâu nước xây dựng là giàn Bullwikle ở vịnh Mexico hoàn thành năm 1991 ở biển sâu 412m.
Sơ đồ kết cấu Jacket của công trình biển cố định được xây dựng ở vùng nước sâu (lớn hơn 300 m) trên thế giới luan an 9 Với trình độ khoa học kỹ thuật công nghệ ngày càng phát triển, nhiều dạng công trình biển được xây dựng và đưa vào khai thác ngoài công trình biển cố định, trong đó có những công trình đạt độ sâu nước khai thác tới hàng nghìn mét nước như giàn khoan Hibernia của Canada, giàn khoan West Alpha của Nga (Hình 1. Toàn cảnh giàn khoan Hibernia và giàn khoan West Alpha Công trình biển ở Việt Nam được bắt đầu nghiên cứu từ những năm 1980, hầu hết các công trình đều được xây dựng ở độ sâu khoảng 50m nước. Trong khoảng 20 năm gần đây, việc nghiên cứu, tính toán và xây dựng các công trình biển được quan tâm, đầu tư lớn cả về tính chất và quy mô. Theo đó, các công trình giàn khoan dầu khí phục vụ kinh tế quốc dân, công trình DKI phục vụ an ninh quốc phòng và nhiều công trình ven bờ, hàng ngàn ki lô mét công trình kè chống xói lở các đảo san hô xa bờ, các đảo gần bờ đã chứng tỏ sự quyết tâm thực hiện chiến lược biển của Đảng, Nhà nước và đã chứng tỏ được sự phát triển kỹ thuật ngày càng mạnh trong các lĩnh vực này.
Ngày nay, ngành xây dựng công trình biển Việt Nam cũng đã có những bước tiến đáng kể, làm chủ được công nghệ thi công hiện đại và từng bước hoàn thiện lý thuyết tính toán, thiết kế công trình. Năm 2013 giàn khoan Hải Thạch được xây dựng với chiều dài tổng cộng 140m, trọng lượng 7.500 tấn, hạ đặt ở độ sâu 134 m nước. luan an 10 Hình 1. Sơ đồ kết cấu giàn khoan cố định điển hình ở Việt Nam Công trình DKI – cột mốc chủ quyền biển, đảo của Viêt Nam.
Trong hơn 30 năm thực hiện sứ mệnh cao cả, đến nay các công trình này đã từng bước nâng cấp, hiện đại để đáp ứng như cầu sử dụng ngày càng cao và phù hợp với điều kiện thực tế của biển. Công trình nhà giàn DKI của Việt Nam luan an 11 1. Tổng quan về tải trọng tác dụng lên công trình biển Công trình biển làm việc trong điều kiện môi trường khắc nghiệt và chịu tác dụng của nhiều loại tải trọng như trọng lượng bản thân của kết cấu, tải trọng sàn công tác, tác trọng sóng, gió, dòng chảy, thủy triều, động đất,. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án, tác giả chỉ nghiên cứu hai loại tải trọng thường xuyên là sóng biển và gió để phục vụ cho việc nghiên cứu, tính toán.
Tải trọng sóng biển: Tải trọng sóng có tần suất xuất hiện thường xuyên và có ảnh hưởng lớn lên công trình biển, do vậy nghiên cứu đầy đủ về sóng biển là nhiệm vụ quan trọng đầu tiên đặt ra cho người tính toán công trình biển. Đến nay, có khá nhiều lý thuyết nghiên cứu về tải trọng sóng biển tác dụng lên công trình, trong đó phổ biến là các lý thuyết sóng tiền định và ngẫu nhiên. Đối với quan niệm sóng tiền định, thường sử dụng lý thuyết sóng tuyến tính như sóng Airy hoặc lý thuyết sóng phi tuyến như sóng Stoke và tải trọng do sóng biển sinh ra được xác định theo công thức Morison. Theo [38], [56], [82], [84], lý thuyết sóng Airy là lý thuyết sóng tuyến tính, tuy có một số nhược điểm, nhưng do tính toán đơn giản nên đến nay vẫn được sử dụng nhiều.
Sóng Airy có các đặc tính sử dụng sau đây: - Phù hợp nhất cho những biên độ sóng thấp ở những vùng biển sâu; - Ít phù hợp hơn với ứng xử sóng ở vùng nước nông; - Là lý thuyết sóng hay được sử dụng vì mô hình toán học đơn giản; - Không thể hiện được ảnh hưởng của chiều cao sóng đến vận tốc dịch chuyển của sóng. Với lý thuyết sóng phi tuyến Stoke có ưu điểm là tính toán linh hoạt cho từng vùng nước, có độ chính xác cao hơn, ứng dụng công nghệ lập luan an 12 trình và máy tính, tính toán theo lý thuyết sóng này tỏ ra phù hợp bởi các lý do sau: - Có thể sử dụng cho cả vùng nước sâu, trung bình và nông; - Mô hình toán khá hoàn chỉnh; - Cho thấy ảnh hưởng của chiều cao sóng đến vận tốc dịch chuyển. Hiện nay công trình biển ngoài khơi của Việt Nam hầu hết được cấu tạo bằng kết cấu hệ thanh, vì vậy cần nghiên cứu mô hình tải trọng sóng tác dụng lên loại công trình này.6 là mô hình tải trọng sóng biển tác dụng lên thanh hình trụ, thẳng đứng, có đường kính D. Đối với các kết cấu dạng thanh có đường kính nhỏ so với chiều dài sóng thì có thể bỏ qua ảnh hưởng của hiện tượng nhiễu xạ sóng.