Phân tích kết cấu chân kè biển theo mô hình tương tác

KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 54 - 2019 1
PHÂN TÍCH KẾT CẤU CHÂN KÈ BIỂN 
THEO MÔ HÌNH TƯƠNG TÁC 
Nguyễn Quang Hùng 
Trường Đại học Thủy lợi 
Tóm tắt: Chân kè đê biển là một trong những kết cấu qua trọng trong việc giữ ổn định cho kết 
cấu kè biển. Nhiều sự cố hư hỏng kè biển Việt nam đã cho thấy rõ sự biến dạng không đều giữa 
mái kè- thân kè-chân kè. Trong tính toán kỹ thuật thông thường và nhất là khi sử dụng mô hình số 
để giải quyết bài toán kết cấu đã coi mái kè, thân kè và chân kè như một môi trường nhiều chỉ tiêu 
cơ lý đã không đáp ứng được điều kiện làm việc thực tế. Nghiên cứi của bài báo này tách rời các 
môi trường làm việc của kè, ứng dụng cơ học môi trường không liên tục theo điều kiện tương tác 
để phân tích kết cấu kè biển . Các kết quả nghiên cứu cho thấy rõ tình hình phân bố ứng suất cũng 
như ứng xử của hệ Công trình- Nền trong điều kiện chịu tải trọng ngoài. 
Từ khóa : Phương pháp phần tử hữu hạn, Tương tác, Chân kè, tiếp xúc 
Summary: Embankment toe is one of the important structures in stabilizing sea embankment 
structure. Many incidents of sea dyke failure in Vietnam have clearly shown that the deformity 
between the protect embankment and the Background is not continuous. In conventional 
engineering calculations, and especially when using numerical models to solve structural 
problems, roof embankments, embankments and embankments are considered as an environment 
with many physical and mechanical criteria that did not meet the working conditions. practical 
work. The study of this paper separates the working environment of embankments, the application 
of discontinuous mechanics according to the interactive conditions for analyzing seabed 
structures. The research results clearly show the situation of stress distribution as well as the 
behavior of the Construction system - Background under the condition of external load. 
Keywords: Finite element method, Interaction, Embankment toe, Contact. 
1. ĐẶT VẤN ĐỀ* 
Việt Nam là một quốc gia có bờ biển dài 
khoảng 3260 km, kéo dài 13 độ vĩ tuyến từ 
Móng Cái đến Hà Tiên. Duyên hải miền Trung 
là nơi hứng chịu nhiều tác động của bão trong 
khu vực, theo những thống kê từ năm 1972 đến 
nay cho thấy khu vực này chịu tác động của 49 
% số cơn bão. Các cơn bão đổ bộ vào miền 
Trung gây ra mưa lớn, gió mạnh và đặc biệt là 
sóng do gió gây ra có tác động mạnh mẽ đến 
công trình thủy lợi nói chung và kè bảo vệ mái 
dốc nói riêng. Các tác động này thường gây ra 
những hư hỏng mái và chân kè dẫn đến mất an 
Ngày nhận bài: 15/4/2019 
Ngày thông qua phản biện: 28/5/2019 
toàn ổn định tổng thể của kè.[1] 
Thân kè là một bộ phận không thể thiếu và là 
một phần chức năng của kè bảo vệ đê biển. Việc 
làm việc của kè có sự tác động tương hỗ giữa 
thân kè-mái kè- chân kè cũng như sự tương tác 
giữa mái kè bảo vệ mái, chân kè với tác động 
của biển và nền. Trong kĩ thuật thủy lợi, kĩ thuật 
đê và công trình bảo vệ bờ, nhiều hệ thống kết 
cấu bị phá hoại do tác động tương tác giữa ba 
môi trường Đất-Nước- Công trình. Tính toán 
công trình xây dựng xét đến tương tác giữ ba 
môi trường là một tiến bộ trong khoa học công 
nghệ xây dựng nhưng thường gặp phải những 
Ngày duyệt đăng: 10/6/2019 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 54 - 2019 2
khó khăn về mô phỏng cơ chế phá hoại cũng 
như giải quyết những mô hình cơ học cũng như 
thực hiện phương pháp tính...[2-4] 
Hình 1: Sóng lớn nguy cơ gây hư hỏng kè 
Hình 2: Mái kè hư hỏng dưới tác động của sóng 
Để giải các bài toán cơ học có xét đến tương tác 
cho các công trình đất như đê, đập, hiện nay 
phương pháp phần tử hữu hạn tỏ ra là công cụ 
thích hợp. 
Đê biển khi chịu tác dụng của các tải trọng từ 
phía biển tác động, do đó trường ứng suất biến 
dạng trong thân đê cũng bị chi phối. Các tác 
động thủy lực từ phía biển và tác động địa kĩ 
thuật từ thân đê vào kết cấu lớp vỏ có tác dụng 
tương hỗ nhau. Có nhiều cách để có thể mô 
phỏng sự làm việc tương tác giữa nền đê và thân 
kè như mô phỏng kè và lớp đất trên một số mô 
hình đất nhất định khá đơn giản (mô hình đất 
Winkler, Pasternak), mô hình phức tạp như mô 
hình đất cố kết, mô hình dẻo... Trong bài viết 
này, tác giả lựa chọn mô hình đất nền là mô hình 
đàn dẻo không gian bán vô hạn.[2-4] 
Đối với vấn đề mô hình hóa không gian bán vô 
hạn. Một là làm thế nào để mô hình tiếp xúc 
giữa kè bảo vệ và lớp đất bên dưới? Có một số 
cách để thực hiện vấn đề này, sẽ được giải quyết 
bằng phần mềm ANSYS. Cách đầu tiên là giải 
pháp bằng cách sử dụng kết nối cố định của các 
nút hay còn gọi là mô hình liên tục, đảm bảo 
tính liên tục về chuyển vị. Cách thứ hai là áp 
dụng các yếu tố tiếp xúc và ở đây cụ thể là sử 
dụng CONTAC52 với liên kết ma sát và cách 
thứ ba là bằng các yếu tố tiếp xúc như 
CONTA173, CONTA172 với TARGE170, 
TARGE170.[3-6]. 
2. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 
2.1. Lựa chọn mô hình nền 
Có nhiều mô hình đất để sử dụng trong phân 
tích kết cấu nền . Các mô hình toán học - vật lý 
được sử dụng nhiều nhất của đất đàn hồi là: 
1) Mô hình mặt đất Winkler 
2) Mô hình lớp đất nền Pasternak 
3) Lý thuyết về không gian đàn hồi bán vô hạn 
(mô hình Boussinesque) 
Mô hình thân kè được sử dụng trong nghiên cứu 
này là mô hình Boussinesque. 
2.2. Vấn đề tiếp xúc trong phương pháp phần 
tử hữu hạn 
Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) là một 
phương pháp số gần đúng dựa trên phương 
pháp Ritz. Rất nhiều chương trình máy tính hiện 
đang hoạt động theo nguyên tắc FEM, ví dụ 
ANSYS, SCIA ESA PT, IDA NEXIS32, 
RFEM, v.v. 
Bản chất của phương pháp này là phân phối 
miền tính toán thành hữu hạn các phần tử nhỏ, 
có thể có hình dạng và kích cỡ khác nhau được 
liên kết với nhảu bởi các điểm nút. Các tham số 
của miền tính toán được thể hiện ở các nút này. 
Sử dụng nguyên lý Lagrange thu được một hệ 
phương trình đại số. Sau đó có thể xác định các 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 54 - 2019 3
tham số chưa biết tại các nút này. 
Đối với vấn đề tiếp xúc trong FEM được giải 
quyết theo mô hình nền không gian bán vô hạn 
và được gắn với công trình bằng các liên kết. 
Khi đó năng lượng toàn phần của hệ kết cấu 
Công Trình- Nền được thể hiện như sau: 
π = πz + πp + πe (1) 
Trong đó 
π: năng lượng toàn phần của miền tính toán. 
πp là năng lượng toàn phần của đất nền. 
πz - năng lượng toàn phần của công trình 
πe - năng lượng toàn phần của ngoại lực 
Theo nguyên tắc biến thiên Lagrange của tổng 
năng lượng toàn phần đạt cực trị từ nguyên lý 
di chuyển khả dĩ. Khi đó có được: 
δπ = 0 (2) 
2.3. Mô phỏng tiếp xúc trong phương pháp 
phần tử hữu hạn băng phần mềm Ansys 
Để có thể lựa chọn hình thức liên kết đúng đắn 
nhất đối với bài toán nghiên cứu , cần thiết phải 
hiểu rõ đặc tính cũng như điều kiện áp dụng của 
các loại hình liên kết. 
Đối với các vấn đề tiếp xúc điểm-điểm, có thể 
đề cập đến tiếp xúc CONTAC12, CONTAC52 
và CONTAC178. Khi áp dụng loại hình tiếp 
xúc điểm-điểm này, cần phải biết trước các vị 
trí tiếp xúc rõ ràng. Loại hình tiếp xúc này phù 
hợp với các bài toán có biến dạng nhỏ, chuyển 
vị tương đối của các chất điểm nằm trên mặt 
tiếp xúc trong phạm vi nhỏ. Loại hình tiếp xúc 
này cũng phù hợp với các bài toán phi tuyến về 
hình học (lưới phần tử tự thích ứng). 
Đối với vấn đề tiếp xúc mặt, các nút được mô 
phỏng tiếp xúc có thể sử dụng các nút liên tục 
hoặc các nút linh hoạt như CONTAC26, 
CONTAC48, CONTAC49, CONTAC175. Lúc 
này, các nút không cần thiết phải tuân theo 
phương trình liên tục thông thường của phương 
pháp FEM, đã có sự cho phép biến dạng lớn và 
xảy ra sự trượt giữa các nút này trên cạnh, 
mặt.. 
Đối với vấn đề tiếp xúc trực diện, lúc này liên 
kết giữa 2 miền tiếp xúc được mô phỏng bằng 
tiếp xúc giữa cạnh-cạnh, cạnh- mặt hoặc mặt-
mặt với các quan hệ bậc 2 hoặc bậc 3 như quan 
hệ bậc thấp 2 nút: CONTAC171, bậc cao 3 nút 
CONTAC172 hoặc tiếp xúc 4 nút nút liên kết 
ba chiều. Khi mô phỏng sự tiếp xúc này cần 
phải chú ý mặt đích và mặt tiếp xúc . Việc lựa 
chọn mặt địch phải dựa vào độ cứng hơn của 
mặt đích so với mặt còn lại. Đối với bài toán 2 
chiều, mặt tiếp xúc được lựa chọn là 
CONTAC171 và CONTAC172 kết hợp với mặt 
mục tiêu hai chiều TARGET169. Đối với các 
tiếp xúc 3 chiều mặt tiếp xúc CONTAC173 và 
CONTAC174 kết hợp với mạt mục tiêu ba 
chiều TARGET170. Các đặc tính của các liên 
kết này đối với các loại phần tử tiếp xúc được 
thể hiện trong bảng 1. 
Bảng 1: Các đặc tính của phần tử tiếp xúc trong Ansys 
Note-to- 
Node 
Node-to- 
Surface 
Surface-to-Surface 
Line-to- 
Line 
Line-to- 
Surface 
Contact Element No. 178 175 171, 172 173, 174 176 177 
Target Element No. -- 169, 170 169 170 170 170 
2-D Y Y Y -- -- -- 
3-D Y Y -- Y Y Y 
Sliding small large large large large large 
Cylindrical Gap Y 
Spherical Gap Y 
Pure Lagrange Y Y Y Y Y Y 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 54 - 2019 4
Note-to- 
Node 
Node-to- 
Surface 
Surface-to-Surface 
Line-to- 
Line 
Line-to- 
Surface 
Multiplier 
Augmented Lagrange 
Multiplier 
Y Y Y Y Y Y 
Lagrange Multiplier 
on Normal and 
Penalty on Tangent 
Y Y Y Y Y Y 
Internal Multipoint 
Constraint (MPC) 
-- Y Y Y Y Y 
Contact Stiffness semi-
auto 
semi-auto semi-
auto 
semi-
auto 
semi-auto semi-
auto 
Auto-meshing Tools EINTF ESURF ESURF ESURF ESURF ESURF 
Lower-Order Y Y Y Y Y Y 
Higher-Order -- Y (2-D 
only) 
Y Y Y Y 
Rigid-Flexible Y Y Y Y Y Y 
Flexible-Flexible Y Y Y Y Y Y 
Thermal Contact Y Y Y Y -- -- 
Electric Contact Y Y Y Y -- -- 
Magnetic Contact -- Y Y Y -- -- 
3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 
3.1. Số liệu dùng trong nghiên cứu 
Mô hình tương tác trong kết cấu chân kè biển 
được tiến hành trên sơ đồ được cho ở hình 3 với 
kích thước ở bảng 2 và các chỉ tiêu cơ lý được 
cho ở bảng 3. 
Hình 3: Sơ đồ nghiên cứu tương tác 
Bảng 2: Các thông số cơ bản của mặt cắt 
ngang điển hình kè 
STT Hạng mục Thông số 
1 đỉnh tường +3.0 m 
2 Hệ số mái kè 3.5 
STT Hạng mục Thông số 
3 ống buy phía trên -0.5 m 
4 ống buy phía dưới -1.0 m 
5 Chiều cao ống buy 2 m 
Bảng 3: Các chỉ tiêu cơ lý của vật liệu 
STT Vật liệu E (Pa) μ 
γ 
(T/m3) 
1 Bêtông 
M250 
2,85e10 0,167 2,4 
2 Bêtông 
M200 
2,6e10 0,167 2,4 
3 Cát 10e7 0,35 1,8 
4 Lớp 
đệm 
dăm sỏi 
10e7 0,35 2,2 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 54 - 2019 5
5 Đá hộc 2,9e10 0,3 2,6 
Hình 4: Sơ đồ lưới phần tử tính toán 
Mô hình tiếp xúc được dùng ở đây là 
CONTAC172 kết hợp với mặt mục tiêu hai 
chiều TARGET169 tại vị trí tiếp giáp giữa mái 
kè bảo vệ bằng tám bê tông với nền, giữa ống 
buy-ống buy và giữa ống buy-nền. 
Bảng 4: Đặc trưng phần tử TARGE169 
Phần tử TARGE169 
Tiếp điểm I, J, K, M, N, O, P 
Độ tự do UX, UY, UZ, TEMP, 
VOLT, MAG (ROTX, 
ROTY, ROTZ) 
Hằng số thực R1, R2 
Đặc tính vật liệu Không 
Tải trọng bề mặt Không 
Tải trọng khối Không 
Tải trọng đặc biệt Phi tuyến tính, phần tử 
sinh chết 
Bảng 5: Đặc trưng phần tử CONTA172 
Phần tử CONTA172 
Tiếp điểm I, J, K, L 
Độ tự do UX, UY, UZ (KEYOPT(1) = 0) 
UX, UY, UZ, TEMP ( KEYOPT(1) = 1) 
TEMP ( KEYOPT(1) = 2) 
UX, UY, UZ, TEMP, VOLT ( KEYOPT(1) = 3) 
TEMP, VOLT ( KEYOPT(1) = 4) 
UX, UY, UZ, VOLT ( KEYOPT(1) = 5) 
VOLT ( KEYOPT(1) = 6) 
MAG ( KEYOPT(7) = 1) 
Hằng số thực R1, R2, FKN, FTOLN, ICONT, PINB, 
PMAX, PMIN, TAUMAX, CNOF, FKOP, FKT, 
COHE, TCC, FHTG, SBCT, RDVF, FWGT, 
ECC, FHEG, FACT, DC, SLTO, TNOP, 
TOLS, MCC 
Đặc tính vật liệu DAMP, MU, EMIS 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 54 - 2019 6
Tải trọng bề mặt Đối lưu, lưu lượng nhiệt 
Tải trọng đặc biệt Phi tuyến tính, biến hình lớn, phần tử sinh chết 
Hình 5: Đẳng chuyển vị X 
Hình 6: Đẳng chuyển vị Y 
Hình 7: Ứng suất nhỏ nhất S1 
Hình 8: Ứng suất lớn nhất S3 
Kết quả thể hiện từ hình. 5 đến hình. 8 ứng với 
phương trình mô hình vật liệu liên tục, đồng 
nhất một môi trường hai đặc tính cơ học. Các 
kết quả về chuyển vị, ứng suất của các môi 
trường nền, kết cấu bảo vệ mái, ống buy đều 
đảm bảo liên tục. Quan điểm này chỉ phù hợp 
với thực tế nếu hệ kết cấu và nền có chuyển vị 
nhỏ, có thể bỏ qua chuyển vị tương đối giữa hai 
môi trường. Tuy nhiên đối với kết cấu kè và 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
 TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 54 - 2019 7
nhất là kè đê biển được đặt trên môi trường á 
cát thì mô hình liên tục chưa thực sự sát với thực 
tế. 
Hình 9: Ứng suất nhỏ nhất S1 
Hình 10: Ứng suất lớn nhất S3 
Hình 11: Ứng suất nhỏ nhất S1 dưới đáy ống buy 
Hình 12: Ứng suất nhỏ nhất S3 dưới đáy ống buy 
Hình 13: Lún của chân kè ống buy 
Các kết quả từ hình 9 đến hình. 12 thể hiện trạng 
thái ứng suất chính nhỏ nhất, ứng suất chính lớn 
nhất cũng như sự thay đổi của chúng dưới đáy 
hai hàng ống buy. Những kết quả này cho thấy 
rõ ứng suất chính có sự thay đổi đáng kể cả về 
giá trị cũng như phân bố so với trường hợp sử 
dụng mô hình liên tục. kết quả nghiên cứu lún 
của chân kè ống buy trên hình. 13 cho thấy rõ 
sự lún lệch của các hàng ống buy dưới tác dụng 
của tải tọng ngoài. 
4. KẾT LUẬN 
Ứng suất cục bộ thường xuất hiện tại những 
vùng thay đổi đột ngột về hình học hoặc thay 
đổi về tính chất cơ lý của các bộ phận công trình 
hoặc giữa công trình và nền. Ví dụ tính toán đã 
cho thấy rõ sự thay đổi về trường ứng suất tại 
vùng tiếp xúc giữa hai môi trường tại vùng tiếp 
xúc. Các kết quả nghiên cứu cũng là cơ sở để 
tiến hành nghiên cứu xử lý lún không đều của 
các bộ phận kè và đặc biệt là chân kè với hình 
thức ống buy. Các kết quả tính toán lún không 
KHOA HỌC CÔNG NGHỆ 
TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ THỦY LỢI SỐ 54 - 2019 8
đều giữa các hàng ống buy là cơ sở để nghiên 
cứu về cao trình đặt ống buy trong bài toán thiết 
kế cũng như vận hành. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] Nguyễn Quang Hùng. Một số vấn đề về kích thước và ổn định chân kè đê biển . Tuyển tập 
công trình khoa học trường đại học Thủy Lợi, số 4. 1999. (30-34.). 
[2] Nguyễn Quang Hùng. Nghiên cứu ứng dụng mô hình tương tác đánh giá ổn định đê biển 
trong trường hợp sóng, triều cường tràn qua đê (đề tài nhánh cấp nhà nước KC.08.15/06-
10). 2010 
[3] Xie He-ping, Chen Zhong-hui, Zhou Hong-wei, Yi Cheng, Chen Zhi-jian. Study on two-
body mechanical model based on interaction between structural body and Geo-body. 
Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering, Vol24 No9, 2005. 
[4] Cao Ke-ming. Concrete Face Rockfill Dam. China WaterPower Press, 2008, pp311-317. 
[5] Vũ Hoàng Hưng, Nguyễn Quang Hùng. Ứng dụng mô hình phần tử tiếp xúc phân tích ổn 
định chống trượt đập bê tông trọng lực. Tạp chí thủy lợi và môi trường. số 25. 2009 (38-
45). 
[6] Nguyễn Quang Hùng. Ứng dụng mô hình tiếp xúc ma sát coulumb nghiên cứu ứng suất cục 
bộ trong đập bê tông đầm lăn. Tạp chí Nông nghiệp và phát triển nông thôn (nhận đăng số 
11/2019). 
[7] Vũ Quốc Công, Vũ Hoàng Hưng, Mai Xuân Hương, Nguyễn Quang Hùng. Sử dụng mô hình 
tương tác phân tích ứng suất biến dạng bản mặt bê tông đập đá đổ bê tông bản mặt số 9.2009 
(86-91) 
[8] ANSYS Company. Release 10.0 Documentation for ANSYS.