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)

Trên cơ sở mô phỏng Monte - Carlo và mô hình xác suất, mối quan hệ giữa độ ổn định mái taluy với các thông số gồm đặc tính tham số kháng cắt các lớp đất c,  và yếu tố hình học của mái t

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

ÁP DỤNG CHO TUYẾN CAO TỐC CAM LỘ - LA SƠN

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông

Mã số : 85.80.205

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT

Đà Nẵng - Năm 2020

Công trình được hoàn 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

Luận văn sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp thạc sĩ Kỹ thuật xây dựng công 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

là một trong những nguyên nhân dẫn đến các công trình vẫn sạt lở khi đưa vào sử dụng

Để giải quyết vấn đề này, khái niệm độ tin cậy trong công trình địa kỹ thuật được Vanmarck (1977) đề xuất sử dụng Lúc này mức độ

an toàn của công trình được đánh giá thông 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 toàn cho công 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 toán công 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 công 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 mô hình xác suất, mối quan hệ giữa độ ổn định mái taluy với các thông 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 toán ổn định mái

2 taluy nền đường Mô 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 Không 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)

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 mô hình phân tích ổn định mái dốc, các mô hình mô phỏng các đại lượng ngẫu nhiên với thống kê các số liệu từ các nghiên cứu trước ở trong và ngoài 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 ngôn ngữ Matlab nhằm xây dựng chương trình phân tích độ tin cậy mái dốc, dự báo hệ số an toàn 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 công 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 toán ổn định mái dốc Chương 3: Áp dụng cho dự án cao tốc Cam Lộ - La Sơn

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 công 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 toán ổn định khi ứng dụng mô hình trong công trình địa kỹ thuật như sau :

1.4.1 Phương pháp Janbu (1957)

1.4.2 Phương pháp Bishop (1955)

1.4.3 Phương pháp Janbu (1957)

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 mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên

Nguồn ngẫu nhiên thường được chia làm bốn loại chính:

1.6.1 Vật liệu không đồng nhất

1.6.2 Do đo đạc, thí nghiệm

1.6.3 Ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên

1.6.4 Do mô hình tính

5

1.6.5 Mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, mô hình đại lượng ngẫu nhiên được sử dụng Để mô 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 mô hình xác suất để mô 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 toán các công trình địa kỹ thuật là cần thiết Mô hình phân phối Normal được sử dụng để mô phỏng sự thay đổi ngẫu nhiên này

1.7 Lý thuyết độ tin cậy

Để giải quyết các vấn đề trên lý thuyết độ tin cậy được sử dụng,

và trong công trình địa kỹ thuật bài toán độ tin cậy được Vanmarck đề xuất vào năm 1977 Từ đó các nghiên cứu, phân tích công 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 toàn của công 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 thông qua xác suất phá hoại P f

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 toán 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

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

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 TOÁN 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

2.3 Mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên bằng chuỗi Loeve

Karrhunen-2.3.1 Bài toán tĩnh

Hình 2.3: Kết quả bài toán tĩnh từ

phần mềm GeoSlope

Hình 2.4: Kết quả bài toán tĩnh từ

phương pháp được đề xuất

8 Bài toán 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 toàn FOS càng cao

2.3.2 Mô 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)

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 thông 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 toán khi mà số liệu đầu vào bị giới hạn

Hình 2.5: Mô 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 (b) Góc nội ma sát (c) Lực dính đơn vị

Hình 2.7: Mô 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 thông số: giá trung bình x (ii) độ lệch chuẩn x và (iii) phương

trình tương quan (∆x)

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 mô 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 không 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

chiều dài biến thiên b và đại lượng ngẫu

nhiên x

Hình 2.10: Mô phỏng tổ hợp

biến ngẫu nhiên theo chiều sâu

Hình 2.11 và 2.12 thể hiện kết quả mô 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 Mô 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

Tiến hành phân tích độ tin cậy trong tính toán ổn định mái dốc với sự thay đổi của các đại lượng ngẫu nhiên với biến thiên COV={10%,15%,20%,25%,30%}

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 mô hình tính toán 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 mô phỏng sự thay đổi theo chiều sâu lực dính đơn

vị C bằng chuỗi Karhunen - Loeve

Hình 2.16 So sánh kết quả khi có xét đến (mô 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