Tải bản đầy đủ (.pdf) (26 trang)

Đánh giá ổn định mái dốc theo lý thuyết độ tin cậy có xét đến sự thay đổi sức kháng cắt (c, , ) theo chiều sâu áp dụng cho tuyến cao tốc cam lộ la sơn (tt)

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (1.36 MB, 26 trang )

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

ĐOÀN TRẦN VŨ

ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC THEO LÝ THUYẾT
ĐỘ TIN CẬY CÓ XÉT ĐẾN SỰ THAY ĐỔI
SỨC KHÁNG CẮT (c, , ) THEO CHIỀU SÂU.

C
C
R
UT.L

ÁP DỤNG CHO TUYẾN CAO TỐC CAM LỘ - LA SƠN.

D
Chuyên ngành
Mã số

: Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thơng
: 85.80.205

TĨM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2020


Cơng trình được hồn thành tại
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA


Người hướng dẫn khoa học: TS. TRẦN TRUNG VIỆT

Phản biện 1: PGS. TS. CHÂU TRƯỜNG LINH
Phản biện 2: TS. HOÀNG TRUYỀN

C
C
R
UT.L

D

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp
thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng cơng trình giao thông họp tại trường Đại học
Bách khoa vào ngày 7 tháng 11 năm 2020

Có thể tìm hiểu luận văn tại:
- Trung tâm Học liệu, Đại học Đà Nẵng tại Trường Đại học Bách khoa
- Thư viện Khoa Xây dựng cầu đường, Trường Đại học Bách Khoa ĐHĐN


1
MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Trong các phương pháp toán ổn định nền đường hiện nay, các giá
trị đầu vào là một đại lượng tĩnh và gần như là khơng đổi trong suốt
thời gian khai thác. Trong tính tốn kiểm tra ổn định, các thơng số đặc
trưng cho tính chất cơ lý của các lớp địa chất tại lỗ khoan đặc trưng
được áp dụng để tính tốn cho mặt cắt ngang bất lợi nhất trong đoạn
nền đường đào sâu và sẽ làm cơ sở để quyết định thông số thiết kế hình

học mái dốc nền đường đào và cũng như các giải pháp gia cố. Tuy
nhiên, trên thực tế theo thời gian khai thác, các tính chất cơ lý của đất
nền cũng như các đặc trưng hình học của mái dốc không giống như ban
đầu do ảnh hưởng của nhiều yếu tố. Vì vậy kết quả tính tốn khơng
đánh giá hết khả năng làm việc của đất nền trong trường hợp này: đây
là một trong những nguyên nhân dẫn đến các cơng trình vẫn sạt lở khi
đưa vào sử dụng.

C
C
R
UT.L

D

Để giải quyết vấn đề này, khái niệm độ tin cậy trong cơng trình
địa kỹ thuật được Vanmarck (1977) đề xuất sử dụng. Lúc này mức độ
an tồn của cơng trình được đánh giá thơng qua chỉ số độ tin cậy dưới
ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên. Và hiện nay, ở các nước châu
Âu, việc đánh giá mức độ an tồn cho cơng trình địa kỹ thuật dựa trên
chỉ số độ tin cậy [EuroCode 7]. Tuy nhiên, việc sử dụng chỉ số độ tin
cậy trong tính tốn cơng trình xây dựng nói chung và ổn định mái dốc
nói riêng ở Việt Nam vẫn chưa được xem xét.
Từ những phân tích trên, cần phải nghiên cứu, phân tích đánh giá
lại mức độ ổn định của mái taluy nền đường nói chung và cơng trình
cao tốc Cam Lộ - La Sơn nói riêng dựa trên chỉ số độ tin cậy là cần
thiết. Trên cơ sở mô phỏng Monte - Carlo và mơ hình xác suất, mối
quan hệ giữa độ ổn định mái taluy với các thơng số gồm đặc tính tham
số kháng cắt các lớp đất (c, ) và yếu tố hình học của mái taluy được
xây dựng để phân tích, đánh giá độ tin cậy trong tính tốn ổn định mái



2
taluy nền đường. Mơ hình Karhunen - Loeve được sử dụng để mô
phỏng sự thay đổi tham số kháng cắt các lớp đất (c, ) theo chiều sâu.
Kết quả này, sẽ dự báo được nguy cơ mất ổn định cũng như đề xuất các
giải pháp tăng tính ổn định nhưng đảm bảo chi phí xây dựng thấp cho
mái taluy nền đường.
2. Đối tượng nghiên cứu
Với đề tài đặt ra, luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng sự
biến thiên tham số kháng cắt của đất nền (c, ) theo chiều sâu nền
đường đến độ tin cậy ổn định mái dốc.
3. Phạm vi nghiên cứu
Phân tích độ tin cậy trong ổn định nền đường đắp.
Lý thuyết Bishop được sử dụng để phân tích ổn định mái taluy.
Khơng xét đến lực cắt S giữa các phân tố đất, áp lực đất bị động,
chủ động E1, E2 và sự xuất hiện của nước ngầm khi phân tích ổn định.
Xét sự biến thiên tham số kháng cắt của đất nền (c, ) theo chiều sâu
nền đường (bài toán 1D).

C
C
R
UT.L

D

4. Mục tiêu nghiên cứu
Chỉ ra ảnh hưởng sự biến thiên tham số kháng cắt của đất nền (c,
) theo chiều sâu đến độ tin cậy ổn định mái dốc.

Phân tích ảnh hưởng của sự thay đổi tham số kháng cắt của đất
nền (c, ) theo chiều sâu đến độ tin cậy ổn định mái dốc (đối với nền
đường đắp). Áp dụng đánh giá ổn định cho dự án cao tốc Cam Lộ - La
Sơn.
5. Phương pháp nghiên cứu
Luận văn kết hợp nghiên cứu lý thuyết các mơ hình phân tích ổn
định mái dốc, các mơ hình mơ phỏng các đại lượng ngẫu nhiên với
thống kê các số liệu từ các nghiên cứu trước ở trong và ngồi nước. Sau
đó sử dụng lý thuyết độ tin cậy để phân tích ổn định mái dốc dưới sự
thay đổi tham số kháng cắt của đất nền (c, ) theo chiều sâu đến độ tin
cậy trong ổn định mái taluy.


3
6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài
Luận văn tập trung mô phỏng sự thay đổi tham số kháng cắt của
đất nền (c, ) theo chiều sâu: được đặc trưng bởi khoảng biến thiên θ và
chuỗi Karhunen - Loeve sử dụng ngơn ngữ Matlab nhằm xây dựng
chương trình phân tích độ tin cậy mái dốc, dự báo hệ số an tồn và hình
dạng cung trượt của mái dốc một cách chính xác nhất.
Vận dụng kết quả nghiên cứu được nhằm lý giải một phần
nguyên nhân sạt lở mái dốc nền đường đắp một số cơng trình hiện nay.
Đưa ra các giải pháp thiết kế điều chỉnh, bổ sung cho mái dốc nền
đường đắp để đảm bảo độ ổn định trong quá trình khai thác.
7. Cấu trúc của luận văn
Chương 1: Tổng quan về ổn định mái dốc và lý thuyết độ tin cậy.
Chương 2: Phân tích ảnh hưởng sự thay đổi tham số kháng cắt
của đất theo chiều sâu đến độ tin cậy trong tính tốn ổn định mái dốc.

C

C
R
UT.L

Chương 3: Áp dụng cho dự án cao tốc Cam Lộ - La Sơn.

D

Kết luận và kiến nghị.

CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC
VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY
1.1. Mở đầu
Trong chương này sẽ tổng hợp, giới thiệu lý thuyết của các quá
trình ngẫu nhiên và ứng dụng chúng trong cơng trình địa kỹ thuật.
1.2. Các dạng mất ổn định mái dốc
1.2.1 Sụt lở
1.2.2 Trượt
1.2.3 Trôi


4
1.3. Nguyên nhân mất ổn định mái dốc
1.3.1 Nguyên nhân làm giảm yếu sức kháng cắt (chống trượt)
của đất đá
1.3.2 Nguyên nhân tăng lực gây trượt
1.4. Các phương pháp tính toán ổn định mái dốc
Theo phương pháp chia các cột đất, khối trượt ở phía trên mỗi
mặt trượt giả thiết được chia thành nhiều cột đất thẳng đứng, tiếp theo

phân tích các điều kiện cân bằng lực và momen đối với hệ lực tác dụng
lên cột đất để tìm ra hệ số ổn định của mái dốc (FOS).
Trong mục này giới thiệu các phương pháp tính tốn ổn định khi
ứng dụng mơ hình trong cơng trình địa kỹ thuật như sau :
1.4.1. Phương pháp Janbu (1957)
1.4.2. Phương pháp Bishop (1955)

C
C
R
UT.L

1.4.3. Phương pháp Janbu (1957)

D

1.4.4. Phương pháp Spencer (1973)

1.4.5. Phương pháp Morgenstern - Price (1965)
1.5. Đánh giá mức độ an toàn của mái dốc hiện nay

Luận văn tập trung vào mô phỏng ứng xử của các yếu tố đầu vào
của bài toán và kết quả nhận được đặc trưng bởi khoảng biến thiên θ và
chuỗi Karhunen - Loeve để xây dựng một phương trình số phóng đại số
lượng kết quả nhất định nhằm đạt được tính đúng đắn cao nhất như kết
quả so sánh các phương pháp hiện nay.
1.6. Nguồn ngẫu nhiên và mơ hình hóa đại lượng ngẫu nhiên
Nguồn ngẫu nhiên thường được chia làm bốn loại chính:
1.6.1. Vật liệu khơng đồng nhất
1.6.2. Do đo đạc, thí nghiệm

1.6.3. Ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên
1.6.4. Do mơ hình tính


5
1.6.5. Mơ hình hóa đại lượng ngẫu nhiên
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, mơ hình đại lượng ngẫu
nhiên được sử dụng. Để mơ hình hóa đại lượng ngẫu nhiên, lý thuyết
xác suất được sử dụng.
1.6.6. Mô phỏng xác suất
1.6.7. Hàm phân phối chuẩn Normal [Jones et al., 2002]
1.6.8. Sự thay đổi ngẫu nhiên tham số kháng cắt của đất
1.6.9. Kết luận
Đề tài giới thiệu khái niệm về các nguồn ngẫu nhiên trong địa kỹ
thuật nói chung cũng như sử dụng mơ hình xác suất để mơ phỏng đại
lượng ngẫu nhiên. Các kết quả thí nghiệm hiện trường các tính chất cơ
lý của đất được tổng hợp đã chỉ ra rằng: việc xem các tính chất cơ lý
của đất như là một biến ngẫu nhiên trong tính tốn các cơng trình địa kỹ
thuật là cần thiết. Mơ hình phân phối Normal được sử dụng để mô
phỏng sự thay đổi ngẫu nhiên này.

C
C
R
UT.L

D

1.7. Lý thuyết độ tin cậy


Để giải quyết các vấn đề trên lý thuyết độ tin cậy được sử dụng,
và trong cơng trình địa kỹ thuật bài tốn độ tin cậy được Vanmarck đề
xuất vào năm 1977. Từ đó các nghiên cứu, phân tích cơng trình địa kỹ
thuật dựa trên bài toán độ tin cậy được sử dụng rất nhiều trên thế giới.
Để đánh giá mức độ an tồn của cơng trình lúc này người ta sử dụng
khái niệm độ tin cậy, hay chỉ số độ tin cậy , và đại lượng này có thể
được thể hiện thơng qua xác suất phá hoại Pf.
1.8. Lý thuyết độ tin cậy
Jiang et al., 2014 đã sử dụng chuỗi Karhunen-Loeve để mô
phỏng trường ngẫu nhiên 1D cường độ kháng cắt của đất (góc nội ma
sát, lực dính).
Tao et al., 2014 đã sử dụng Karhunen-Loeve để mô phỏng
trường ngẫu nhiên cho lực dính đơn vị của đất.


6
Zhu et al., 2019 đã sử dụng chuỗi Karhunen-Loeve mô phỏng
trường ngẫu nhiên cho lực dính đơn vị của đất.
1.9. Kết luận chương 1
Trong chương này, luận văn đã tổng hợp các lý thuyết chung về
mất ổn định mái dốc, các phương pháp phân tích ổn định mái dốc.
Một số khái niệm và các dạng mất ổn định phổ biến của mái dốc
được luận văn tổng hợp, từ đó một số nguyên nhân chính gây mất ổn
định mái dốc được tổng hợp.
Các phương pháp phân tích, tính tốn ổn định được tổng hợp
trong phần tiếp theo của luận văn. Với các ưu nhược điểm của mỗi
phương pháp, luận văn đã chọn phương pháp Bishop để sử dụng cho
các phân tích ở các phần sau với ưu điểm đơn giản và sai số không quá
lớn so với các phương pháp khác.


C
C
R
UT.L

Phần tiếp theo, luận văn tập trung tổng hợp và giới thiệu các lý
thuyết về độ tin cậy, xác suất phá hoại và các nguồn gây ra sự thay đổi
ngẫu nhiên các chỉ tiêu cơ lý của đất. Sau đó, một số nghiên cứu trên
thế giới về việc sử dụng chuỗi Karrhunen-Love để mô phỏng sự thay
đổi ngẫu nhiên cường độ của đất theo chiều sâu trong phân tích độ tin
cậy. kết quả tổng hự đã chỉ ra vai trò quan trọng của việc sử dụng lý
thuyết trường ngẫu nhiên trong phân tích ổn định mái dốc.

D

Sau khi phân tích, tổng hợp các lý thuyết và nghiên cứu trong và
ngoài nước, luận văn đề xuất sử dụng phương pháp Bishop để xác định
hệ số an toàn cho mái dốc. Sự thay đổi ngẫu nhiên các chỉ tiêu sức
kháng cắt của đất theo chiều sâu được giả thiết là một trường ngẫu
nhiên 1D và được mô phỏng bởi chuỗi Karhunen-Loeve. Độ tin cậy của
mái dốc được đánh giá thông qua chỉ số xác suất phá hoại.


7
CHƯƠNG 2
PHÂN TÍCH ẢNH HƯỞNG SỰ THAY ĐỔI
THAM SỐ KHÁNG CẮT CỦA ĐẤT THEO CHIỀU SÂU ĐẾN
ĐỘ TIN CẬY TRONG TÍNH TỐN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC
2.1 Mở đầu
Trong chương này, lý thuyết độ cậy được sử dụng để phân tích

ổn định mái dốc. Sức kháng cắt của đất (c, ) được mô phỏng bởi các
đại lượng ngẫu nhiên với hàm phân bố chuẩn Normal [Harr, 1987;
Kulhawy, 1992]. Từ các đại lượng ngẫu nhiên trên, mô phỏng Monte Carlo được sử dụng để tạo ra chuỗi số liệu đầu vào từ đó, phần mềm
Matlab được sử dụng để phân tích độ ổn định mái dốc.
2.2. Phân tích ổn định mái dốc bằng phương pháp Bishop
Xây dựng lại bài toán ổn định tổng thể mái dốc áp dụng sơ đồ lực
tác dụng theo Bishop.

C
C
R
UT.L

2.3. Mơ hình hóa đại lượng ngẫu nhiên bằng chuỗi KarrhunenLoeve

D

2.3.1. Bài tốn tĩnh

Hình 2.3: Kết quả bài tốn tĩnh từ
phần mềm GeoSlope

Hình 2.4: Kết quả bài tốn tĩnh từ
phương pháp được đề xuất


8
Bài tốn tĩnh được áp dụng nhằm mục đích kiểm tra kết quả
Output của phương pháp mà đề tài đưa ra với phần mềm GeoSlope.
Kết quả thể hiện ở hình 2.3 và 2.4 cho thấy hệ số FOSmin từ

phương pháp được đề xuất nhỏ hơn so với kết quả nhận được từ phần
mềm GeoSlope (1,56 so với 1,58), đồng thời cung trượt nguy hiểm gần
như giống nhau.
Kết quả này cho thấy sự ảnh hưởng của số mảnh n quyết định
đến sự chính xác của hệ số ổn định mái dốc. Số mảnh càng lớn, độ
chính xác của hệ số an tồn FOS càng cao.
2.3.2. Mơ hình hóa đại lượng ngẫu nhiên
Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài chỉ xét đến thay đổi ngẫu
nhiên của 3 yếu tố sau: dung trọng của đất đắp (), độ dính đơn vị (c),
góc nội ma sát (φ).

C
C
R
UT.L

2.3.2.1. Mô phỏng Monte-Carlo

Mô phỏng Monte - Carlo là một thuật toán cho phép tạo ra một
chuỗi giá trị ngẫu nhiên từ các số liệu đầu vào: có thể một số lượng
mẫu thí nghiệm giới hạn, từ quy luật phân phối cùng các thơng số của
nó. Mục đích của phương pháp này là nhằm tạo ra một chuỗi số liệu
ngẫu nhiên đủ lớn để phân tích rủi ro trong tính tốn khi mà số liệu đầu
vào bị giới hạn.

D

Hình 2.5: Mơ phỏng Monte-Carlo đại lượng ngẫu nhiên từ 20 mẫu đo



9
2.3.2.2. Mô phỏng nguồn ngẫu nhiên cho các thông số đầu vào
Ứng dụng mô phỏng Monte - Carlo để mô phỏng nguồn ngẫu
nhiên cho các chỉ tiêu cơ lý của đất từ các thông số địa chất thực tế của
tuyến Cao tốc Cam Lộ - La Sơn. Khi đó, với chỉ số thay đổi giá trị
COV các số liệu cần thiết để mô phỏng đại lượng ngẫu nhiên.
Sự phân bố chuẩn Normal các giá chỉ tiêu cơ lý được mô phỏng
trong các biểu đồ hình 2.7.

(a) Dung trọng đất

C
C
R
.L

(b) Góc nội ma sát

(c) Lực dính đơn vị

DUT

Hình 2.7: Mơ phỏng ngẫu nhiên 1000 giá trị các chỉ tiêu cơ lý.
2.3.3. Mô phỏng trường ngẫu nhiên theo không gian bằng
chuỗi Karhunen - Loeve
Một đại lượng ngẫu nhiên X được gọi là trường ngẫu nhiên khi
các giá trị của X phụ thuộc nhau theo không gian (khoảng cách), x và
x là hằng số với khoảng cách. Trường ngẫu nhiên được mô phỏng bởi
các thơng số: giá trung bình x (ii) độ lệch chuẩn x và (iii) phương
trình tương quan (∆x).

Bảng 2.3: Phương trình tương quan (x)
Đặc trưng tương quan

Dạng pt
Exponential



 (x) = exp  −


x 

b1 

2b1

Xét một lớp đất, chỉ tiêu cơ lý X của đất sẽ thay đổi ngẫu nhiên
theo chiều sâu như trong hình 2.8. Để mơ phỏng sự thay đổi ngẫu nhiên


10
này, trường X sẽ được mô phỏng bởi 3 đại lượng: - đại lượng thống kê
của X gồm x và x; đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi theo chiều sâu
(đặc trưng tương quan) b.

Hình 2.8: Biến thiên theo chiều sâu chỉ tiêu cơ lý của đất X
Trong mô phỏng trường ngẫu nhiên, đặc trưng tương quan (b)
ảnh hưởng rất nhiều đến kết quả mô phỏng, khi b càng lớn thì các đại
lượng ngẫu nhiên theo khơng gian sẽ có hệ số tương quan càng lớn, khi

b càng nhỏ (gần về giá trị 0) thì trường ngẫu nhiên lúc này sẽ được xem
như lại 1 đại lượng ngẫu nhiên độc lập không phụ thuộc vào không
gian. Kết quả thể hiện như trong hình 2.9 và hình 2.10.

C
C
R
UT.L

D

b=10

b=20
x

1.2
1
0.8

b=5
0.6

b=2
0.4

b=1

0.2
0

0

2

4
Series1

6

8
Series2

10
Series3

12

14
Series4

16

18

20

Series5

Hình 2.9: P.trình tương quan (∆x),
chiều dài biến thiên b và đại lượng ngẫu

nhiên x

z

Hình 2.10: Mơ phỏng tổ hợp
biến ngẫu nhiên theo chiều sâu

Hình 2.11 và 2.12 thể hiện kết quả mơ phỏng sự thay đổi tính
chất cơ lý của đất theo chiều sâu bởi nghiên cứu của Zhao et al. (2018).


11

Hình 2.11. Mơ phỏng trường ngẫu
nhiên góc nội ma sát bởi chuỗi
Karhunen - Loeve

Hình 2.12. Sự thay đổi theo chiều
sâu E của đất theo mô phỏng của
Salaheldin Elkatatny (2018)

2.3.3. Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy

C
C
R
UT.L

Tiến hành phân tích độ tin cậy trong tính tốn ổn định mái dốc
với sự thay đổi của các đại lượng ngẫu nhiên với biến thiên

COV={10%,15%,20%,25%,30%}.

D

Các đại lượng ngẫu nhiên có ảnh hưởng lớn đến phân tích độ tin
cậy trong dự báo hệ số an toàn của mái dốc. Kết quả nhận được chỉ ra
quy luật rất rõ ràng giữa hệ số an toàn FOS với từng trường hợp.
2.4. Phân tích ổn định mái dốc khi xét đến sự thay đổi theo chiều
sâu sức kháng
2.4.1. Xây dựng mơ hình tính tốn hệ số ổn định

Hình 2.13. Sơ đồ xác định hệ số ổn định FOS bằng phương pháp
Bishop khi xét đến sự thay đổi theo chiều sâu tính chất cơ lý của đất


12
2.4.2. Đánh giá hệ số ổn định cho mái dốc khi xét đến sự thay
đổi ngẫu nhiên theo chiều sâu tham số kháng cắt của đất

Hình 2.15. Kết quả mơ phỏng sự thay đổi theo chiều sâu lực dính đơn
vị C bằng chuỗi Karhunen - Loeve

C
C
R
UT.L

D

Hình 2.16. So sánh kết quả khi có xét đến (mơ hình đề xuất) và không xét

đến sự thay đổi tham số kháng cắt của đất theo chiều sâu (Geostudio)
2.5. Phân tích ảnh hưởng sự thay đổi tham số kháng cắt của đất
theo chiều sâu đến độ tin cậy trong ổn định mái dốc
2.5.1. Mô phỏng đại lượng ngẫu nhiên theo chiều sâu

Hình 2.17. Mơ phỏng sự thay đổi c,  của đất theo chiều sâu


13

0 Cohension-C
20
40

Elevation -Y (m)

20
15
10
5
0

Hình 2.18. Sự thay đổi phân bố lực dính c theo chiều sâu cho 2 lần mơ
phỏng khỏc nhau
2.5.2. Xõy dng mụ hỡnh phõn tớch
Chuỗi
Karhunen - Loeve
Input
Thông số
đầu vào

(c, )

DU

C
C
R
T.L

Mô phỏng
Monte - Carlo

Matlab
Ph-ơng pháp
Bishop

1000 Output
[FoSmin]

Xác định Pf

Hình 2.19. Sơ đồ tính bài tốn đại lượng ngẫu nhiên
Để xác định độ tin cậy, từ kết quả 1000 giá trị FOS, giá trị xác
suất phá hoại Pf được xác định. Trong đó trị trung bình  FOS và độ lệch
chuẩn  FOS được xác định từ 1000 giá trị FOS đã phân tích.
Bước 1: Nhập input là các giá trị thông số đầu vào từ số liệu địa
chất.
Bước 2: Sử dụng chuỗi Karhunen-Loeve để mô phỏng trường
ngẫu nhiên X thay đổi theo chiều sâu nền đường với các đặc trưng: trị
trung bình (), độ lệch chuẩn () và đặc trưng tương quan (b).

Bước 3: Từ tổ hợp biến {c, φ, γ} ngẫu nhiên tạo ra trong bước 2,
sử dụng bài tốn Bishop và phần mềm Matlab tính tốn hệ số an toàn
FOSmin


14
Bước 4: Sử dụng mô phỏng Monte - Carlo để thực hiện lại các
bước 2 và 3 với số lượng mô phỏng là n=1000, kết quả sẽ thu được bộ
giá trị 1000 FOSmin
Bước 5: Áp dụng lý thuyết độ tin cậy và xác suất phá hoại (mục
1.7) đánh giá ảnh hưởng của sức kháng cắt đến ổn định mái dốc.
2.5.3. Phân tích ảnh hưởng của COV đến độ tin cậy
Mục này luận văn chỉ phân tích sự ảnh hưởng của COV đến xác
suất phá hoại của mái dốc với các giá trị thay đổi từ 0.10 đến 0.30. Kết
quả phân tích cho trường hợp đặc trưng tương quan b=1m, thể hiện
trong hình 2.21.

C
C
R
UT.L

D

Hình 2.21. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc: CoV=0.2, b=1m
Từ kết quả hình 2.21, ta nhận thấy khi xét đến sự ảnh hưởng của
COV thì xác suất phá hoại Pf của mái dốc thay đổi. Để xét đến sự ảnh
hưởng COV, luận văn đã phân tích cho COV={0.10, 0.15, 0.20, 0.25,
0.30} lần lượt với b={1m, 2m, 5m, 10m, 20m}.


Hình 2.22: Biểu đồ tương quan giữa Pf và CoV với b


15
Từ kết quả phân tích trên cho thấy biến thiên COV ảnh hưởng
lớn đến các yếu tố cơ lý của đất và quyết định đến trị số hệ số an tồn
FOS của mái dốc. Và ngưỡng an tồn của cơng trình trong bài tốn
đang xét ứng với COV < 10%.
2.5.4. Phân tích ảnh hưởng của b đến độ tin cậy
Tương tự với đặc trưng tương quan (b) có ảnh hưởng rất lớn đến
mơ phỏng bằng chuỗi Karhunen-Loeve.

C
C
R
UT.L

D

Hình 2.23: Biểu đồ ảnh hưởng của b đến Pf
Từ biểu đồ tổng hợp hình 2.23, ta nhận thấy b tăng thì giá trị Pf
có xu hướng giảm dần.
2.6. Kết luận chương 2
Ở chương này, luận văn đã tập trung phát triển trình tự xác định
hệ số an toàn và xác suất phá hoại của mái dốc dựa trên phương pháp
phân tích của Bishop khi có xét đến sự thay đổi theo chiều sâu sức
kháng cắt của đất - được mô phỏng bởi chuỗi Karhunen-Loeve.
Phần đầu chương, mô phỏng Monte-Carlo được sử dụng để mô
phỏng sự thay đổi ngẫu nhiên của 1 đại lượng ngẫu nhiên. Kết quả mô
phỏng cho thấy, đặc trưng tương quan có ý nghĩa rất quan trọng trong

mơ phỏng trường ngẫu nhiên sức kháng cắt của đất.
Phần cuối của chương, trên cơ sở bài toán đã đề xuất với 5 bước,
luận văn tiến hành phân tích ảnh hưởng của chỉ số COV và đặc trưng
tương quan (b) đến độ tin cậy ổn định mái dốc. Ở phần tiếp theo, luận


16
văn phân tích ảnh hưởng của chỉ số COV đến xác suất phá hoại, kết quả
phân tích cho thấy xác suất phá hoại cũng có xu hướng tăng theo chiều
tăng của chỉ số biến thiên COV, khi biến thiên COV càng lớn, xác suất
phá hoại càng lớn đồng nghĩa với việc mái dốc sẽ mất ổn định
Kết quả cuối cùng cho thấy, khi xét đến sự thay đổi ngẫu nhiên
theo chiều sâu sức kháng cắt của đất sử dụng mô phỏng Monte - Carlo
kết hợp chuỗi Karhunen - Loeve, kết quả dự báo có sai khác so với khi
chỉ xét bài toán tĩnh và bài toán đại lượng ngẫu nhiên, xác suất phá hoại
sẽ tăng lên đáng kể. Kết quả nghiên cứu một lần nữa chỉ ra vai trò quan
trọng của việc xem xét sự thay đổi ngẫu nhiên của các chỉ tiêu cơ lý của
đất theo không gian là cần thiết trong phân tích ổn định mái dốc.
CHƯƠNG 3

C
C
R
UT.L

ÁP DỤNG CHO DỰ ÁN CAO TỐC CAM LỘ - LA SƠN
3.1. Mở đầu

D


3.2. Giới thiệu dự án

3.2.1. Tổng quan

3.2.2. Giới thiệu về dự án
Dự án thành phần đầu tư xây dựng đoạn Cam Lộ - La Sơn thuộc
dự án xây dựng một số đoạn đường bộ cao tốc trên tuyến Bắc - Nam
phía Đơng giai đoạn 2017 - 2020 đã được Bộ giao thông vận tải phê
duyệt dự án tại Quyết định duyệt số 1382/QĐ-BGTVT ngày 24/7/2019.
Nội dung chủ yếu như sau:
3.2.2.1. Tên dự án
Dự án thành phần đầu tư xây dựng đoạn Cam Lộ - La Sơn thuộc
dự án xây dựng một số đoạn đường bộ cao tốc trên tuyến Bắc - Nam
phía Đơng giai đoạn 2017 - 2020.


17
3.2.2.2. Phạm vi nghiên cứu:
- Điểm đầu: Km26+500, thuộc xã Hải Lâm, huyện Hải Lăng, tỉnh
Quảng Trị.
- Điểm cuối: Km37+300, thuộc xã Hải Chánh, huyện Hải Lăng,
tỉnh Quảng Trị.
- Địa điểm xây dựng: Huyện Hải Lăng, tỉnh Quảng Trị.
3.3. Đánh giá độ tin cậy ổn định mái dốc
Căn cứ hồ sơ địa chất và hồ sơ thiết kế được duyệt Dự án cao tốc
Cam Lộ - La Sơn. Mặt cắt ngang tại vị trí nền đắp cao có FOS=1.68
>1.4, nền đường đảm bảo ổn định khi chưa xét đến sự thay đổi ngẫu
nhiên sức kháng cắt theo chiều sâu của đất nền.

C

C
R
UT.L

D

Hình 3.2. Mặt cắt ngang tại vị trí nền đắp cao Dự án cao tốc Cam Lộ La Sơn (sử dụng phần mềm Geo-slope)
Tiếp tục tiến hành phân tích theo mơ hình đề xuất ở chương 2 với
COV={0.10,0.15, 0.20, 0.25, 0.30} và b={1m,2m,5m,10m,20m}, kết
quả thu được cụ thể như sau:
Bảng 3.1. Bảng tương quan giữa Pf và COV với
b={1m,2m,5m,10m,20m}
COV
Pf (%)
b=1
b=2
b=5
b=10
b=20

0.10

0.15

0.20

0.25

0.30


0.08%
0.37%
0.62%
0.88%
2.17%

2.56%
4.48%
4.90%
8.14%
7.93%

9.02%
12.94%
9.11%
16.29%
12.58%

16.83%
21.35%
16.69%
21.93%
21.52%

23.89%
25.96%
25.95%
25.21%
25.25%



18

Hình 3.11. Biểu đồ tương quan giữa Pf và CoV với
b={1m,2m,5m,10m,20m}
Từ kết quả phân tích ta nhận thấy, khi xét đến sự thay đổi ngẫu
nhiên các tính chất cơ lý của đất theo chiều sâu thì ta nhận thấy ứng với
COV=0.20 khả năng mái dốc xảy ra phá hoại lên đến 25.90%.

C
C
R
UT.L

3.4. Đề xuất giải pháp

Khi xét đến sự thay đổi ngẫu nhiên các tính chất cơ lý của đất theo
chiều sâu ứng với COV={0.10; 0.15}, mái dốc ổn định. Với COV > 0.20,
mái dốc bắt đầu mất ổn định, đề xuất 02 giải pháp như sau:

D

Giải pháp 1 (phạm vi mái dốc mất ổn định tương ứng với
CoV={0.20,0,25,0.30})
6% 4%

2%

1:2


M¸i taluy điều chỉnh
theo Hồ sơ thiết kế đ-ợc duyệt
Mái taluy điều chỉnh
sau khi tiến hành ngà mái

1:3

1:2

Mái taluy điều chỉnh
theo Hồ sơ thiết kế đ-ợc duyệt
Đ-ờng tự nhiên
theo Hồ sơ thiết kế đ-ợc duyệt

Hỡnh 3.12. MCN ti v trớ nn đắp cao Dự án cao tốc CL-LS điều chỉnh
ngã mái khi xét đến sự thay đổi sức kháng cắt theo chiều sâu


19

Bảng 3.2. Bảng tương quan giữa Pf và
CoV={0.20,0.25,0.30}
với
b={1m,
2m,5m,10m,20m} sau khi tiến hành ngã
mái taluy

Hình 3.13. Biểu đồ tương quan giữa Pf
và CoV với b={1m,2m,5m,10m,20m}


C
C
R
UT.L

D

Hình 3.14. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc sau khi ngã mái:
CoV =0.20, b=1m
Khi xét đến sự thay đổi ngẫu nhiên đồng thời kết hợp ngã mái
taluy, từ kết quả phân tích trên ta nhận thấy:
- Trường hợp COV={0.20, 0.25} mái dốc đảm bảo độ ổn định,
khả năng mái dốc xảy ra phá hoại chỉ còn từ 3.46% đến 8.92% <10%
(trường hợp b=10, 20 khả năng phá hoại từ 10.89% đến 13.55% xấp xỉ
không lớn lắm so với 10%).
- Trường hợp COV=0.30, khả năng mái dốc xảy ra phá hoại từ
14.65% đến 18.63% (so với khi chưa ngã mái là 25.90%), để mái dốc
ổn định thì cần tiếp tục ngã mái lớn hơn độ dốc 1:3 hoặc phun phủ gia
cố bề mặt mái taluy để mái dốc đảm bảo ổn định.


20
Giải pháp 2 (phạm vi mái dốc ổn định tương ng vi
CoV=0.10)
6%

Mái taluy điều chỉnh
sau khi tiến hành ngà mái taluy
cơ trên từ 1:2 thành 1:1.5


4%

2%

1:2
.5

Mái taluy điều chỉnh
theo Hồ sơ thiết kế đ-ợc duyệt

1:1

1:2

1:2

Mái taluy điều chỉnh
theo Hồ sơ thiết kế đ-ợc duyệt
Đ-ờng tự nhiên
theo Hồ sơ thiết kế ®-ỵc dut

Hình 3.15. MCN tiến hành giảm độ ngã mái taluy theo độ dốc nhỏ hơn
Sau khi giảm độ ngã mái taluy đồng thời phân tích độ tin cậy ổn
định mái dốc lần lượt với COV=10% và b={1m,2m} , kết quả như sau:

C
C
R
UT.L


Bảng 3.3. Bảng tương quan giữa Pf và CoV=0.10 với b={1m,2m} sau
khi tiến hành giảm độ ngã mái taluy

D

Hình 3.16. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc sau khi giảm độ
ngã mái: COV =0.10, b=1m


21
Khi xét đến sự thay đổi ngẫu nhiên đồng thời kết hợp giảm độ
ngã mái taluy, từ kết quả phân tích trên ta nhận thấy, khi COV=0.10 và
b={1m, 2m}, mái dốc đảm bảo độ ổn định, khả năng mái dốc xảy ra
phá hoại chỉ còn 6.57% <10% .
3.5. Đánh giá hiệu quả kinh tế của giải pháp
Sau khi đề xuất giải pháp, thì luận văn cũng đã phân tích lại hiệu
quả kinh tế cho bài toán khi chỉ số COV nhỏ hơn 20%, cụ thể như sau:
Bảng 3.6. Bảng tổng hợp so sánh chi phí xây dựng của 2 mơ hình trước
và sau khi tiến hành giảm độ ngã mái taluy

Hạng mục
công việc

Đất đắp nền
đường

Đơn
vị

đồng


Giải pháp thiết
kế được duyệt

Giải pháp

(trước khi tiến
hành giảm mái)

(sau khi tiến
hành giảm mái)

(A)

(B)

3.743.535.055

3.554.646.102

đề xuất

C
C
R
UT.L

D

Chênh lệch

(C)=(B)-(A)

-188.888.953

Kết quả thu được từ các bảng trên chỉ ra khi sử dụng lý thuyết độ
tin cậy và trường ngẫu nhiên để phân tích sẽ cho hiệu quả về kinh tế
(chi phí xây dựng thấp hơn) nhưng vẫn đảm bảo về kỹ thuật. Do đó, đối
với các đoạn tuyến ở phạm vi lân cận có đặc điểm tương tự kiến nghị
nên sử dụng giải pháp trên để giảm chi phí xây dựng cơng trình.
3.6. Kết luận chương 3
Trong chương này, luận văn tập trung áp dụng mơ hình phân tích
đề xuất ở chương 2 để đánh giá độ tin cậy cho nền đường đắp cao của
tuyến cao tốc Cam Lộ - La Sơn..
Phần tiếp theo, luận văn tiến hành sử dụng lý thuyết độ tin cậy và
mơ hình đề xuất để đánh giá lại độ tin cậy mái dốc nền đường đắp của
MCN được phê duyệt. Kết quả phân tích chỉ ra khi CoV >20% thì mái
dốc xuất hiện xác suất phá hoại là khá lớn từ 9-26%: điều này cho thấy


22
khi chỉ tiêu cơ lý của đất biến thiên lớn thì mái dốc mất ổn định. Tuy
nhiên, với MCN đề xuất thì khi chỉ tiêu cơ lý đất biến thiên nhỏ (CoV
<20%) thì mái dốc vẫn đảm bảo ổn định (Pf<10%). Các phân tích cũng
chỉ ra khi CoV và b tăng thì xác suất phá hoại tăng.
Ở phần cuối, luận văn tiến hành đề xuất giải pháp thay đổi mái
dốc mái taluy với trường hợp khi COV thay đổi bé hơn 20%: khi xét
đến sự thay đổi ngẫu nhiên đồng thời kết hợp giảm độ ngã mái taluy, từ
kết quả phân tích trên ta nhận thấy, khi COV=0.10 và b={1m, 2m}, mái
dốc đảm bảo độ ổn định, khả năng mái dốc xảy ra phá hoại chỉ còn
6.57% <10%. Trường hợp, khi chỉ số COV lớn hơn 20%, luận văn đề

xuất giải pháp ngã mái dốc phần chân taluy, khi COV={0.20, 0.25} mái
dốc đảm bảo độ ổn định, khả năng mái dốc xảy ra phá hoại chỉ còn từ
3.46% đến 8.92% <10% (trường hợp b=10, 20 khả năng phá hoại từ
10.89% đến 13.55% xấp xỉ không lớn lắm so với 10%). Tuy nhiên, khi
COV=0.30, khả năng mái dốc xảy ra phá hoại từ 14.65% đến 18.63%
(so với khi chưa ngã mái là 25.90%), để mái dốc ổn định thì cần tiếp
tục ngã mái lớn hơn độ dốc 1:3 hoặc phun phủ gia cố bề mặt mái taluy
để mái dốc đảm bảo ổn định. Kết quả phân tích kinh tế chỉ ra khi chỉ số
CoV <0.2 thì giải pháp đề xuất tiết kiệm được khoảng 188,89 triệu
đồng và vẫn đảm bảo độ tin cậy về ổn định.

C
C
R
UT.L

D

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ
Kết luận
Từ các kết quả phân tích đã trình bày cùng với phạm vi nghiên
cứu của đề tài về phân tích ổn định mái dốc. Nghiên cứu tổng kết được
các kết luận sau:
- Sự mất ổn định mái dốc thường xảy ra do tổng hợp nhiều
ngun nhân, do đó khi phân tích ổn định mái dốc cần phân tích các
hiện tượng, sự kiện xảy ra lúc mái dốc mất ổn định và trong suốt q
trình trước đó, cần điều tra mơi trường xung quanh chứ không phải chỉ
chú ý đến điều kiện riêng tại chỗ mái dốc mất ổn định.



23
- Luận văn sử dụng phương pháp Bishop xét đến các chỉ tiêu
dung trọng γ; độ dính đơn vị c; góc nội ma sát φ; bề rộng phân tố đất b;
trọng lượng bản thân phân tố đất W; góc nghiêng của phân tố đất với
phương ngang θ; lực ma sát T; lực phân tố U; phản lực N để đưa ra hệ
số an tồn FOS mà khơng xét đến lực cắt S giữa các phân tố đất, áp lực
đất bị động và chủ động E1, E2 và sự có mặt của nước trong mái dốc.
Phương pháp có xét đến sự thay đổi ngẫu nhiên theo chiều sâu sức
kháng cắt của đất sử dụng giả thiết theo luật phân phối Normal, mô
phỏng Monte - Carlo, chuỗi Karhunen - Loeve để xây dựng một
phương trình số phóng đại số lượng kết quả, từ đó giải quyết bài tốn
ổn định mái dốc trên ngơn ngữ Matlab với lý thuyết tính tốn độ tin
cậy. Qua đó mơ phỏng mơ hình tính tốn, đưa ra biểu đồ và đánh giá độ
tin cậy dựa vào số liệu từ bài toán của [Yang, 2010].
- Đề tài giới thiệu khái niệm về các nguồn ngẫu nhiên trong địa
kỹ thuật nói chung và một số cơ sở liên quan tới bài tốn mái dốc, cũng
như sử dụng mơ hình xác suất để mô phỏng đại lượng ngẫu nhiên. Đề
tài tập trung vào mô phỏng ứng xử của các yếu tố đầu vào của bài toán
và kết quả nhận được đặc trưng bởi khoảng biến thiên θ và chuỗi
Karhunen - Loeve.

C
C
R
UT.L

D

- Khi xét đến các biến ngẫu nhiên, việc đánh giá mức độ an tồn
của một cơng trình sẽ thơng qua chỉ số độ tin cậy hoặc là xác suất phá

hoại. Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết chung về độ tin cậy tập trung
phân tích các yếu tố ảnh hưởng tới khả năng phá hoại của mái dốc
thông quá chỉ số Pf mà xác định ngưỡng an toàn theo yêu cầu của
EuroCode 7.
- Phương pháp chuỗi Karhunen - Loeve cho kết quả sai khác với
số liệu đầu vào tĩnh, phương pháp này cho thấy theo chiều sâu, giá trị
sức kháng cắt của đất có sự thay đổi, khi đưa vào khai thác sẽ có rất
nhiều điểm trong mái dốc khơng đảm bảo điều kiện ổn định. Và nó
cũng chỉ ra rằng việc sử dụng một giá trị cố định của đặc trưng vật liệu
trong tính tốn cho tồn bộ cơng trình là khơng hồn tồn đúng với điều


×