Đăng ký Đăng nhập
Trang chủ đánh giá ổn định mái dốc theo lý thuyết độ tin cậy có xét đến sự thay đổi sức kh...

Tài liệu 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

.PDF
133
6
60

Mô tả:

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA ------------------ ĐOÀN TRẦN VŨ C C ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY CÓ XÉT ĐẾN SỰ THAY ĐỔI R L T. SỨC KHÁNG CẮT (c, , ) THEO CHIỀU SÂU. DU ÁP DỤNG CHO TUYẾN CAO TỐC CAM LỘ - LA SƠN. LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG Đà Nẵng - Năm 2020 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 C C SỨC KHÁNG CẮT (c, , ) THEO CHIỀU SÂU. R L T. ÁP DỤNG CHO TUYẾN CAO TỐC CAM LỘ - LA SƠN. DU Chuyên ngành: Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông Mã số: 85.80.205 LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT XÂY DỰNG CÔNG TRÌNH GIAO THÔNG NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS. TRẦN TRUNG VIỆT Đà Nẵng - Năm 2020 LỜI CAM ĐOAN Tôi cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận văn Đoàn Trần Vũ C C DU R L T. 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. Học viên: Đoàn Trần Vũ Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông Mã số: 85.80.205 Khóa: K37 Trường: Đại học Bách Khoa - ĐHĐN Tóm tắt - Nghiên cứu ứng dụng lý thuyết độ tin cậy trong địa kĩ thuật tập trung đánh giá ứng xử của tham số kháng cắt của đất nền ảnh hưởng trực tiếp tới chất lượng, ổn định mái dốc. Mô hình hóa bài toán ban đầu, xét đến sự thay đổi ngẫu nhiên theo chiều sâu tham số kháng cắt của đất (c, , ), sử dụng giả thiết sự thay đổi ngẫu nhiên tham số kháng cắt của đất 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, giải quyết bài toán ổn định mái dốc trên ngôn ngữ Matlab với lý thuyết tính toán độ tin cậy. Mô phỏng mô hình tính toán, đưa ra biểu đồ và đánh giá độ tin cậy dựa vào số liệu từ bài toán của [Yang, 2010]. Từ đó có thể cho cái nhìn chung nhất về sự ảnh hưởng ít hay nhiều của các yếu tố mà tập trung xử lý khi có sự cố. C C R L T. Từ khóa - độ tin cậy; đại lượng ngẫu nhiên; xác suất phá hoại; tham số kháng cắt; cao tốc Cam Lộ - La Sơn. DU ASSESS OF STABILITY FOR RELIABILITY THEORY TO CHANGE SHEAR RESISTANCE (c, , ) BY DEPTH. APPLICATION FOR CAM LO - LA SON HIGHWAY. Abstract - The application research of reliability theory in geotechnical engineering focus on assessing the behavior of mechanical properties which directly affect slope quality and stability. According to the model the initial problem which consider the random change by depth of soil shear resistance (c, , ) and use the assumption of random change of soil shear resistance by Normal distribution law, simulation of MonteCarlo and Karhunen-Loeve chain to build a numerical equation that magnifies the number of results and solve the slope stability problem in Matlab language with the reliability theory. Thanks to Simulation of computational model that give the graph and assess the reliability based on data from the problem of [Yang, 2010]. Therefrom, giving the most general view on the impact of more or less the factors that focus on handling the problem. Key words - reliability; random variability; probability of failure; shear resistance; Cam Lo - La Son highway. MỤC LỤC MỞ ĐẦU ....................................................................................................................................... 1 1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................................ 1 2. Đối tượng nghiên cứu ................................................................................................. 2 3. Phạm vi nghiên cứu .................................................................................................... 3 4. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................................... 3 4.1. Mục tiêu tổng quát ................................................................................................... 3 4.2. Mục tiêu cụ thể ........................................................................................................ 3 5. Phương pháp nghiên cứu ............................................................................................ 3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn đề tài .......................................................................... 3 7. Cấu trúc của luận văn ................................................................................................. 4 C C CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY .......................................................................................................................................................... 5 R L T. 1.1. MỞ ĐẦU ................................................................................................................. 5 DU 1.2. CÁC DẠNG MẤT ỔN ĐỊNH MÁI DỐC .............................................................. 6 1.2.1. Sụt lở .....................................................................................................................6 1.2.2. Trượt .....................................................................................................................6 1.2.3. Trôi .......................................................................................................................6 1.3. NGUYÊN NHÂN MẤT ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ...................................................... 7 1.3.1. Nguyên nhân làm giảm yếu sức kháng cắt (chống trượt) của đất đá ...................7 1.3.2. Nguyên nhân tăng lực gây trượt ...........................................................................7 1.4. CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ................................. 7 1.4.1. Phương pháp Janbu (1957) ...................................................................................8 1.4.2. Phương pháp Bishop (1955) ...............................................................................10 1.4.3. Phương pháp Spencer (1973) .............................................................................11 1.4.4. Phương pháp Morgenstern - Price (1965) .......................................................... 12 1.4.5. Một số nghiên cứu khác .....................................................................................13 1.4.6. Kết luận ...............................................................................................................15 1.5. ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ AN TOÀN CỦA MÁI DỐC HIỆN NAY ....................... 16 1.6. NGUỒN NGẪU NHIÊN VÀ MÔ HÌNH HÓA ĐẠI LƯỢNG NGẪU NHIÊN .. 16 1.6.1. Vật liệu không đồng nhất ...................................................................................17 1.6.2. Do đo đạc, thí nghiệm ......................................................................................... 18 1.6.3. Ảnh hưởng của điều kiện tự nhiên .....................................................................18 1.6.4. Do mô hình tính ..................................................................................................18 1.6.5. Mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên .....................................................................18 1.6.6. Mô phỏng xác suất .............................................................................................. 19 1.6.7. Hàm phân phối chuẩn Normal [Jones et al., 2002] ............................................20 1.6.8. Sự thay đổi ngẫu nhiên tham số kháng cắt của đất ............................................21 1.6.9. Kết luận ...............................................................................................................23 1.7. LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY ................................................................................. 23 C C 1.7.1. Xác suất phá hoại (Pf) ......................................................................................... 24 R L T. 1.7.2. Chỉ số độ tin cậy () ........................................................................................... 24 1.8. MỘT SỐ NGHIÊN CỨU TRONG VÀ NGOÀI NƯỚC ...................................... 26 DU 1.9. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1 ...................................................................................... 28 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 .................................................................................................................................... 29 2.1. MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 29 2.2. PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC BẰNG PHƯƠNG PHÁP BISHOP ............. 30 2.3. MÔ HÌNH HÓA ĐẠI LƯỢNG NGẪU NHIÊN BẰNG CHUỖI KARHUNEN LOEVE ......................................................................................................................... 31 2.3.1. Bài toán tĩnh ....................................................................................................... 31 2.3.2. Mô hình hóa đại lượng ngẫu nhiên .................................................................... 34 2.3.2.1. Mô phỏng Monte-Carlo ...................................................................................34 2.3.2.2. Mô phỏng nguồn ngẫu nhiên cho các thông số đầu vào .................................36 2.3.3. Mô phỏng trường ngẫu nhiên theo không gian bằng chuỗi Karhunen - Loeve . 37 2.3.4. Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy ............................................................................ 41 2.4. PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH MÁI DỐC KHI XÉT ĐẾN SỰ THAY ĐỔI THEO CHIỀU SÂU SỨC KHÁNG CẮT ............................................................................................. 41 2.4.1. Xây dựng mô hình tính toán hệ số ổn định ........................................................ 41 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 ......................................................................................43 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 ................. 45 2.5.1. Mô phỏng đại lượng ngẫu nhiên theo chiều sâu .............................................................. 45 2.5.2. Xây dựng mô hình phân tích ............................................................................................. 47 2.5.3. Phân tích ảnh hưởng của COV đến độ tin cậy ................................................................. 50 2.5.4. Phân tích ảnh hưởng của b đến độ tin cậy ........................................................................ 51 2.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 2 ...................................................................................... 52 CHƯƠNG 3: ÁP DỤNG CHO DỰ ÁN CAO TỐC CAM LỘ - LA SƠN ...................... 54 C C 3.1. MỞ ĐẦU ............................................................................................................... 54 R L T. 3.2. GIỚI THIỆU DỰ ÁN ............................................................................................ 54 3.2.1. Tổng quan ........................................................................................................... 54 DU 3.2.2. Giới thiệu về dự án ............................................................................................. 55 3.2.2.1. Tên dự án .........................................................................................................56 3.2.2.2. Phạm vi nghiên cứu: ........................................................................................ 56 3.3. ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY ỔN ĐỊNH MÁI DỐC ............................................... 56 3.4. ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP ......................................................................................... 61 3.5. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ KINH TẾ CỦA GIẢI PHÁP ........................................ 65 3.6. KẾT LUẬN CHƯƠNG 3 ...................................................................................... 66 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ ................................................................................................. 67 KẾT LUẬN ................................................................................................................. 67 KIẾN NGHỊ ................................................................................................................ 68 TÀI LIỆU THAM KHẢO ....................................................................................................... 69 DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1: Các dạng mất ổn định mái dốc .......................................................................5 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lí chung ....................................................................................8 Hình 1.3: Sơ đồ lực tác dụng lên khối đất theo Janbu ....................................................8 Hình 1.4: Biểu đồ hệ số ƒo theo d/L ................................................................................9 Hình 1.5: Sơ đồ tính toán theo phương pháp phân mảnh của Bishop .......................... 10 Hình 1.6: Sơ đồ lực theo Spencer .................................................................................11 Hình 1.7: Biểu đồ hàm half-sin f(xi) .............................................................................12 Hình 1.8: Kết quả so sánh FOS giữa phương pháp cổ điển và phương pháp UD-LASSO và hai phương pháp cổ điển Bishop, Janbu ...................................................................13 Hình 1.9: Quan hệ giữa xác suất phá hoại và số mảnh theo [Abdallah I. Husein Malkawi, Waleed F. Hassan, Fayez A. Abdulla] ..........................................................................14 C C R L T. Hình 1.10: Hình dạng và so sánh kết quả FOS giữa các phương pháp (theo Fredlund và Krahn 1977) ...................................................................................................................15 DU Hình 1.11. Mô hình tính toán cơ học thường được áp dụng hiện nay .......................... 16 Hình 1.12 : Nguồn ngẫu nhiên của tính chất cơ lý đất nền [Phoon and Kulhawy, 1999] .......................................................................................................................................17 Hình 1.13: Nguồn ngẫu nhiên của tính chất cơ lý đất nền trong tính toán phân tích độ tin cậy công trình địa kỹ thuật [trích dẫn bởi Huber, 2013] ..........................................17 Hình 1.14: Giới thiệu phân phối chuẩn Normal cho các giá trị khác nhau của σ ........20 Hình 1.15: Hàm phân phối tích lũy và hàm mật độ xác suất của phân phối Normal ...20 Hình 1.16: Sự thay đổi ngẫu nhiên tham số kháng cắt của đất do đất không đồng nhất [Phoon and Kulhawy, 1990a] ........................................................................................ 21 Hình 1.17: Xác định giá trị Pf .......................................................................................24 Hình 1.18: Biểu đồ tương quan giữa  và Pf ................................................................ 25 Hình 1.19: Kết quả phân tích ảnh hưởng CoV và trường ngẫu nhiên đến xác suất phá hoại [Jiang et al., 2014] .................................................................................................27 Hình 1.20: Kết quả phân tích ảnh hưởng trường ngẫu nhiên đến xác suất phá hoại [Tao et al., 2014] ....................................................................................................................27 Hình 1.21: Kết quả phân tích ảnh hưởng trường ngẫu nhiên đến xác suất phá hoại [Zhu et al., 2019] ....................................................................................................................28 Hình 2.1: Sơ đồ lực tác dụng lên một phân tố đất theo Bishop ....................................30 Hình 2.2: Biểu đồ tương quan giữa FOS và số mảnh n ................................................32 Hình 2.3: Kết quả bài toán tĩnh từ phần mềm GeoSlope ..............................................33 Hình 2.4: Kết quả bài toán tĩnh từ phương pháp được đề xuất.....................................33 Hình 2.5: Mô phỏng Monte - Carlo đại lượng ngẫu nhiên từ 20 mẫu đo .....................35 Hình 2.6: Nguyên tắc hoạt động của lý thuyết Monte - Carlo ......................................35 Hình 2.7: Mô phỏng ngẫu nhiên 1000 giá trị các chỉ tiêu cơ lý. ..................................37 Hình 2.8: Biến thiên theo chiều sâu chỉ tiêu cơ lý của đất X [Zhu et al. 2019] ...........38 Hình 2.9: P.trình tương quan (∆x), chiều dài biến thiên b và đại lượng ngẫu nhiên x .......................................................................................................................................39 Hình 2.10: Mô phỏng tổ hợp biến ngẫu nhiên theo chiều sâu ......................................39 C C Hình 2.11. Mô phỏng trường ngẫu nhiên góc nội ma sát bởi chuỗi Karhunen - Loeve .......................................................................................................................................40 R L T. Hình 2.12. Sự thay đổi theo chiều sâu E của đất theo mô phỏng của Salaheldin Elkatatny (2018)............................................................................................................................. 40 DU 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 .............................................................. 42 Hình 2.14. Sơ đồ mái dốc phân tích..............................................................................43 Hình 2.15. Kết quả mô phỏng sự thay đổi theo chiều sâu lực dính đơn vị C bằng chuỗi Karhunen - Loeve ..........................................................................................................44 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) ...........................................45 Hình 2.17. Mô phỏng sự thay đổi c,  của đất theo chiều sâu .....................................46 Hình 2.18. Sự thay đổi phân bố lực dính c theo chiều sâu cho 2 lần mô phỏng khác nhau .......................................................................................................................................47 Hình 2.19. Sơ đồ tính bài toán đại lượng ngẫu nhiên ...................................................47 Hình 2.20. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc: CoV =0.2, b=2m ...............49 Hình 2.21. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc: CoV=0.2, b=1m ................50 Hình 2.22: Biểu đồ tương quan giữa Pf và CoV với b..................................................51 Hình 2.23: Biểu đồ ảnh hưởng của b đến Pf.................................................................52 Hình 3.1. Bản đồ các đoạn đường cao tốc tuyến Bắc - Nam phía Đông ......................55 Hình 3.2. Mặt cắt ngang tại vị trí nền đắp cao Dự án cao tốc Cam Lộ - La Sơn .........57 Hình 3.3. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc: CoV =0.10, b=1m ...............57 Hình 3.4. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc: CoV =0.15, b=1m ...............58 Hình 3.5. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc: CoV =0.20, b=1m ...............58 Hình 3.6. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc: CoV =0.25, b=1m ...............58 Hình 3.7. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc: CoV =0.30, b=1m ...............59 Hình 3.8. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc: CoV =0.10, b=2m ...............59 Hình 3.9. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc: CoV =0.20, b=2m ...............59 Hình 3.10. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc: CoV =0.30, b=2m .............60 Hình 3.11. Biểu đồ tương quan giữa Pf và CoV với b={1m,2m,5m,10m,20m} .........60 Hình 3.12. Mặt cắt ngang tại vị trí nền đắp cao Dự án cao tốc Cam Lộ - La Sơn điều chỉnh ngã mái sau khi xét đến sự thay đổi sức kháng cắt theo chiều sâu......................61 C C R L T. Hình 3.13. Biểu đồ tương quan giữa Pf và CoV với b={1m,2m,5m,10m,20m} .........62 Hình 3.14. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc sau khi ngã mái: .................62 DU Hình 3.15. Mặt cắt ngang tiến hành giảm độ ngã mái taluy theo độ dốc nhỏ hơn .......63 Hình 3.16. Kết quả phân tích độ tin cậy ổn định mái dốc sau khi giảm độ ngã mái: ...64 DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1.COV cho các chỉ tiêu về sức kháng của đất [trích dẫn bởi Jones et al.(2002) .......................................................................................................................................22 Bảng 2.1: Thông số đặc trưng của đất. .........................................................................32 Bảng 2.2: Số liệu cần thiết để mô phỏng đại lượng ngẫu nhiên ...................................36 Bảng 2.3: Phương trình tương quan (x) ......................................................................37 Bảng 2.4: Chỉ tiêu cơ lý của đất ....................................................................................43 Bảng 3.1. Bảng tương quan giữa Pf và CoV với b={1m,2m,5m,10m,20m} ................60 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 ..........................................61 C C 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 ...................................................................................................63 R L T. Bảng 3.4. Bảng so sánh khối lượng nền đường trước và sau khi tiến hành giảm độ ngã mái taluy (phân đoạn từ Km32+819.98 đến Km32+949.82, L= 129.84m) ..................65 DU Bảng 3.5. Bảng đơn giá được duyệt của gói thầu ......................................................... 65 Bảng 3.6. Bảng tổng hợp so sánh chi phí xây dựng của 2 mô hình trước và sau khi tiến hành giảm độ ngã mái taluy........................................................................................... 65 DANH SÁCH CÁC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT KÝ HIỆU: γ Dung trọng của đất c Lực dính đơn vị φ Góc nội ma sát μx Giá trị trung bình σx Độ lệch chuẩn Pf Xác suất phá hoại β Chỉ số độ tin cậy b Chiều dài tương quan W Trọng lượng bản thân phân tố đất θ Góc nghiêng của phân tố đất với phương ngang T Lực ma sát giữa phân tố đất và nền đất U Lực phân tố N S C C R L T. DU Phản lực đất nền Lực cắt giữa các phân tố đất E1 Áp lực đất chủ động E1 Áp lực đất bị động CHỮ VIẾT TẮT: COV Hệ số biến đổi - Coefficient of Variance FOS Hệ số ổn định của mái dốc - Factor of Safe 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Bài toán ổn định mái taluy nền đường đào sâu, đắp cao đã được nghiên cứu, phát triển từ những năm 40 của thế kỷ XX, với nhiều phương pháp, lý thuyết tính toán: Bishop, Fellenius, Lowe - Karafiath,… hay hiện nay phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng phổ biến để phân tích, đánh giá ổn định mái dốc. Trong các phương pháp phân tích trên, các giá trị đầu vào là một đại lượng tĩnh và gần như là không đổi trong suốt thời gian khai thác của công trình. Ở nước ta, việc tính toán phân tích ổn định mái dốc vẫn dựa trên các lý thuyết và phương pháp đã nêu. Và để tính toán, phân tích ổn định của taluy nền đường, nước ta đã ban hành tiêu chuẩn “Khảo sát thiết kế đường ô tô” 22TCN 263-2000 nhằm quy định việc lấy mẫu để xác định các đặc trưng tính toán (tính chất cơ lý của đất, đặc trưng hình học mặt cắt): thiết kế kỹ thuật hoặc thiết kế bản vẽ thi công thì mật độ các lỗ khoan địa chất nền đường đào sâu hoặc đắp cao (Hđào>12m, Hđắp>8m) đảm bảo cự ly trung bình 100m/ 1lỗ, trong khi đó với các tuyến đi qua khu vực miền núi, địa hình phức tạp chỉ thực hiện 1 lỗ khoan địa chất tại 1 vị trí bất lợi (thông thường là vị trí có chiều sâu đào hoặc đắp lớn nhất) hoặc trung bình 500m/ 1lỗ. C C R L T. DU Trong bước tính toán kiểm tra ổn định mái taluy nền đường, các thông số đặc trưng cho tính chất cơ lý của các lớp địa chất tại lỗ khoan đặc trưng được áp dụng để tính toán cho mặt cắt ngang bất lợi nhất trong đoạn nền đường đào sâu, đắp cao. Từ kết quả tính toán này, sẽ làm cơ sở để quyết định thông số thiết kế hình học mái dốc nền đường và cũng như các giải pháp gia cố nhằm tăng tính ổn định cho đoạn nền đường đào sâu, đắp cao đó. Tuy nhiên, trên thực tế theo thời gian khai thác, tham số kháng cắt (c, ) 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 và đã được chỉ ra trong các thí nghiệm với các loại đất khác nhau [Harr, 1987; Kulhawy, 1992; Lacasse and Nadim, 1996 ; Duncan, 2000; Lacasse and Nadim, 1996]. Kết quả thí nghiệm đã chỉ ra sự thay đổi này có thể từ 10-50% [Phoon and Kulwayh, 1999]. Vì vậy, các bài toán thông thường sử dụng để tính toán ổn định mái dốc hiện nay không cho ra kết quả chính xác hay đánh giá hết khả năng làm việc của đất nền trong trường hợp này: đây 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. 2 Việc vận dụng lý thuyết độ tin cậy trong các công trình địa kỹ thuật được nghiên cứu rất nhiều trên thế giới [Fenton et Griffiths, 2003; Popescu et al. 2005; Soubra et al. 2008; Srivastava et Sivakumar Babu, 2009;…] và đã chỉ ra sự ảnh hưởng rất lớn của các yếu tố ngẫu nhiên đến mức độ an toàn của công trình. 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 và đề cập đến. Với thực trạng khảo sát và thiết kế hiện nay ở nước ta, trong rất nhiều trường hợp độ ổn định tại mặt cắt ngang tính toán không đúng và không thể đại diện cho các mặt cắt ngang khác trong đoạn nền đường đang xét. Nguyên nhân là do các đặc trưng tính chất cơ lý của các lớp địa chất tại các điểm khác nhau sẽ không giống nhau và chiều cao mái taluy cũng thay đổi. Qua kiểm tra hồ sơ thiết kế bản vẽ thi công được duyệt và thực tế ngoài hiện trường một số công trình đường trên khu vực miền Trung và Tây Nguyên: dự án đường Hoàng Văn Thái nối dài đi Bà Nà, TP. Đà Nẵng; công trình QL28, đoạn tránh ngập thủy điện Đồng Nai 3&4, tỉnh Đăk Nông; công trình QL28, đoạn tránh ngập thủy điện Đồng Nai 3, tỉnh Lâm Đồng… thì nhận thấy mái dốc nền đường ở vị trí tính toán thì ổn định nhưng các mặt cắt ngang ở lân cận thì có hiện tượng bị sạt lở. Hơn nữa, với các nền đường đắp cao, do ảnh hưởng của quá trình thi công, vật liệu đắp, điều kiện khai thác,… dẫn đến tham số kháng cắt (c, ) của nền đắp là không đồng nhất theo chiều sâu. Để xét đến yếu tố này trong phân tích ổn định, mô hình trường ngẫu nhiên được sử dụng [Phoon et al. 2005; Li et al. 2014]. C C R L T. DU 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 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 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 4.1. Mục tiêu tổng quát 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. 4.2. Mục tiêu cụ thể C C Mô phỏng sự thay đổi tham số kháng cắt của đất nền (c, ) theo chiều sâu bằng mô hình Karhunen - Loeve. R L T. 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). DU Áp dụng đánh giá ổn định cho dự án cao tốc Cam Lộ - La Sơn. 5. Phương pháp nghiên cứu Để có được kết quả mong muốn, 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. 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. Đồng thời, 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. 4 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. C C DU R L T. 5 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC VÀ LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY 1.1. MỞ ĐẦU Bài toán ổn định mái dốc là một trong những bài toán thường gặp nhất trong thiết kế công trình ngành giao thông vận tải. Những năm của thế kỷ XX có hàng loạt các nghiên cứu, lý thuyết phương pháp được đề xuất của W. Felllenius (1927), Bishop (1955), Janbu (1954),… Theo lý thuyết cân bằng giới hạn cho đến các phương pháp phức tạp có tính chính xác cao của Morgenstern - Price (1965), Spencer (1973), Janbu GPS (1973)… việc ứng dụng các phương pháp trên được sử dụng phổ biến thông qua các phần mềm thương mại Slope/W, Plaxis-2D hoặc Plaxis-3D, TFLAT… Tuy nhiên ở Việt Nam việc ứng dụng các công cụ thường đi theo một khuôn mẫu, khi chỉ sử dụng các thông số đầu vào cố định và cho kết quả là hệ số an toàn theo chính các thông số đó. Mô hình tính toán này chỉ đúng đắn trong khoảng thời gian tham số kháng cắt (c, ) của đất nền không thay đổi và không còn chính xác nữa theo thời gian công trình được đưa vào sử dụng, dẫn đến sự mất ổn định mái dốc, gây sạt lở và hư hỏng mái dốc và taluy nền đường sau một thời gian khai thác sử dụng. C C R L T. DU Hình 1.1: Các dạng mất ổn định mái dốc Trong các nghiên cứu thực nghiệm sau này đã phát hiện ra một vấn đề mới, đó là: tham số kháng cắt (c, ) của đất nền thay đổi ngẫu nhiên theo chiều sâu. Việc này dẫn đến, các mô hình tính toán cơ học hiện nay không còn chính xác. Từ đó lý thuyết độ tin cậy ra đời và được sử dụng để đánh giá tình trạng của công trình dưới ảnh hưởng của các yếu tố ngẫu nhiên này. 6 Trong chương này, tác giả tập trung tổng hợp, giới thiệu lý thuyết của các quá trình ngẫu nhiên và ứng dụng chúng trong công trình địa kỹ thuật. Ở phần đầu, giới thiệu chung về công trình mái dốc và mô hình tính toán cơ học thường được dùng để tính toán ổn định mái dốc. Phần thứ 2, giới thiệu lý thuyết độ tin cậy về nguồn ngẫu nhiên trong công trình địa kỹ thuật và lý thuyết xác suất phá hoại mô phỏng tử nguồn ngẫu nhiên trên. Cuối cùng phân tích các ưu, nhược điểm khi ứng dụng mô hình áp dụng lý thuyết độ ngẫu nhiên trong công trình địa kỹ thuật. 1.2. CÁC DẠNG MẤT ỔN ĐỊNH MÁI DỐC Mái dốc là một khối đất có một mặt trượt giới hạn là mặt dốc. Mái dốc được hình thành hoặc do tác dụng tự nhiên (đồi núi tự nhiên) hoặc do tác dụng nhân tạo (taluy nền đường đào sâu, đắp cao). Hiện tượng mất ổn định mái dốc thường gắn liền với các điều kiện địa hình, địa chất và địa chất thủy văn rất phức tạp. Sự mất ổn định của mái dốc ở mức độ nhẹ có thể gây tắc đường hoặc nghiêm trọng hơn có thể phá hoại nền đường. Do vậy, việc đảm bảo sự ổn định mái dốc là điều hết sức cần thiết. Để bảo vệ mái dốc nền đường cần phải phân biệt rõ các hiện tượng, các loại hình phá hoại và các nguyên nhân gây mất ổn định mái dốc. Từ đó đề ra các biện pháp xử lý kịp thời, hợp lý. C C R L T. DU Mất ổn định mái dốc thường được phân thành 3 loại lớn: 1.2.1. Sụt lở Là hiện tượng đất đá trên sườn dốc hoặc trên mái dốc chuyển dịch về phía dưới không theo một mặt tựa rõ rệt (hoặc là không có mặt trượt) và không duy trì nguyên khối. Đất, đá có thể rơi tự do, lăn, đổ… một cách đột ngột tức thời nhưng cũng có thể lở, tróc dần, tích tụ lại phía dưới chân dốc. 1.2.2. Trượt Là hiện tượng đất đá trên sườn dốc và mái dốc chuyển dịch xuống phía dưới chân dốc theo một hoặc vài mặt trượt rõ rệt, thường với tốc độ chậm, ở giai đoạn cuối có thể đột ngột di chuyển nhanh. 1.2.3. Trôi Trôi là hiện tượng đất đá chảy thành dòng trên sườn dốc xuống phía dưới. Dòng đất đá có thể bao gồm đá tảng, đá hòn, cuội sỏi, cát và đất. Tùy theo chứa lẫn nước khi trôi, thường phân biệt hai trường hợp: dòng đất đá khô và dòng ướt. 7 1.3. NGUYÊN NHÂN MẤT ỔN ĐỊNH MÁI DỐC Các yếu tố thiên nhiên (địa hình, địa chất, thủy văn, địa mạo, địa chất động lực) và các yếu tố do hoạt động con người (biến đổi điều kiện tự nhiên vốn có) gây nên sự giảm yếu cường độ liên kết kiến trúc, giảm sức kháng cắt (chống trượt) của đất đá, tăng trọng lượng bản thân khối đất đá (tăng lực gây trượt) gây nên sự mất ổn định mái dốc. 1.3.1. Nguyên nhân làm giảm yếu sức kháng cắt (chống trượt) của đất đá Các nguyên nhân thuộc về bản chất đất, đá: đất đá thuộc loại yếu, dễ phong hóa, dễ hóa mềm khi gặp nước; các lớp đất đá có cấu tạo xen kẽ các lớp yếu. Các yếu tố thúc đẩy quá trình phong hóa và quá trình biến đổi hóa lý: sự dao động nhiệt độ làm phá vỡ kết cấu đất đá; sự thủy hóa, sự hấp phụ nước của các khoáng vật sét khi tăng độ ẩm; nước ngầm hòa tan và mang đi các thành phần dễ hòa tan có trong đất đá (muối cacbonat, sunfat,…). C C Các nguyên nhân về địa hình, địa mạo: độ dốc của mái dốc lớn, mái dốc trơ trụi ít cây cỏ làm đất đá dễ bị xói mòn, dễ bị phong hóa gây nên sự mất ổn định mái dốc. R L T. 1.3.2. Nguyên nhân tăng lực gây trượt Các nguyên nhân là tăng tải trọng trên mái dốc: nước mặt và nước ngầm thấm đầy lỗ rỗng đất đá; đất đá trượt, sụt lở từ phía trên rồi tích lại trên sườn dốc. DU Các nguyên nhân gây phá hoại chân mái dốc: dòng nước mặt mùa lũ chảy xói chân mái dốc; không gia cố rãnh biên quá dốc dẫn đến xói chân mái dốc. Các nguyên nhân gây chấn động đất đá: Động đất, nổ mìn khai thác đá hoặc xây dựng đường,… Tóm lại, sự mất ổn định mái dốc thường xảy ra do tổng hợp nhiều nguyên 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 quá trình trước đó; cần điều tra môi trường xung quanh chứ không phải chỉ chú ý đến điều kiện riêng tại chỗ mái đất mất ổn định. 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). FOS được định nghĩa bằng tỷ số giữa tổng momen kháng trượt và tổng momen gây trượt tác dụng lên mặt trượt. Sau đó, các nhà nghiên cứu đã cải tiến, bổ sung, đề xuất phương pháp tính toán mới phù hợp với tình hình thực tế hơn. 8 Hình 1.2: Sơ đồ nguyên lí chung 1.4.1. Phương pháp Janbu (1957) Janbu sử dụng phương pháp cắt lát để xác định độ ổn định của khối trượt, Janbu giả thiết rằng không có lực cắt trong các phân tố đất. Hình dạng của mỗi khối đất được mô tả bằng chiều cao h, chiều rộng b và theo độ nghiêng của đáy và đỉnh là α và β (hình 1.3). u q C C  R L T. u Thrust Line ZR R DU w khW L ZL kvW Assumed Shear Surface n' + u q  ZR w khW hR  hc h ZL hL Sm = Sa /f b Midpoint of Slice Hình 1.3: Sơ đồ lực tác dụng lên khối đất theo Janbu F Sa Sm U U W N’ Q kv kh = factor of safety = available strength C + N’tan = mobilized strength = pore water forces = surface water force = weight of slice = effective normal force = external surcharge = vertical seismic coefficient = horiz seismic coefficient ZL ZL L R hL hR    b h hc = = = = = = = = = = = = left interslice force right interslice force left interslice force angle right interslice force angle height to force ZL height to force ZR inclination of slice base inclination of slice top inclination of slice surcharge width of slice average height of slice height to centroid of slice
- Xem thêm -

Tài liệu liên quan