Đánh giá ổn định mái dốc nền đường vùng có hoạt động sụt lở theo lý thuyết độ tin cậy

- ĐÁNH GIÁ ỔN ĐỊNH MÁI DỐC NỀN ĐƯỜNG VÙNG CÓ HOẠT ĐỘNG SỤT LỞ THEO LÝ THUYẾT ĐỘ TIN CẬY.
- Độ nhạy, lý thuyết độ tin cậy, mái dốc, mô phỏng Monte Carlo, ổn định.
- Sự phức tạp và rủi ro là do nhiều nguyên nhân như mô hình tính, số liệu khảo sát thăm dò và tính chất cơ lý không bền vững (cơ lý tính yếu) của các lớp đất đá.
- Trong các nguyên nhân được đề cập trên thì cơ lý tính yếu của các lớp đất đá đóng vai trò cao nhất, quyết định nhất đến tính ổn định nền đường, đặc biệt là khi các công trình làm việc trong các điều kiện bất lợi (mưa, phong hóa.
- mưa thấm) theo lý thuyết độ tin cậy khi tính chất cơ lý của các lớp đất đá có sự thay đổi ngẫu nhiên.
- Bằng phương pháp sử dụng mô phỏng Monte Carlo trên mô hình xác suất, tác giả đánh giá ổn định mái dốc nền đường khi các thông số đầu vào là các biến ngẫu nhiên tuân theo luật phân phối chuẩn.
- Kết quả nghiên cứu cung cấp cái nhìn khách quan hơn khi đánh giá ổn định nền đường..
- Đánh giá ổn định mái dốc nền đường vùng có hoạt động sụt lở theo lý thuyết độ tin cậy.
- pháp cổ điển (phương pháp tất định), tức là các thông số đầu vào đều là hằng số.
- Và tùy vào phương pháp tính thì hệ số K tc này là khác nhau, điều này là do mỗi phương pháp đều được đơn giản hóa khi tính toán.
- Tuy nhiên, tính chất cơ lý của các lớp đất đá (dung trọng riêng (γ), lực dính (C) và góc nội ma sát (φ)) luôn có sự thay đổi dưới sự tác động từ môi trường đặc biệt là khi có hiện tượng thấm.
- Do đó, phương pháp tất định là không thể phản ánh chân thực sự làm việc của công trình..
- Vì vậy, các tuyến đường khi vận hành vẫn thường xuyên gặp các sự cố sạt trượt do mất ổn định..
- Để giải quyết sự không bền vững của các thông số đầu vào đó, phương pháp phân tích ổn định theo lý thuyết độ tin cậy dựa trên phương pháp xác suất ra đời và đạt được những thành quả đáng ghi nhận..
- Phương pháp phân tích này lần đầu tiên được giới thiệu vào những năm 1970 (Alonso, 1976.
- Từ đó đến nay, các khái niệm và nguyên tắc của phương phương pháp phân tích ổn định mái dốc theo lý thuyết độ tin cậy đã không ngừng phát triển và được trình bày trong nhiều nghiên cứu ở ngoài nước (Nguyen and Chowdhury, 1984.
- Với phương pháp phân tích này, ngoài việc giải quyết được cơ lý tính yếu các lớp đất đá, nó cũng là một phương pháp hữu ích để định lượng mức độ rủi ro đối với từng công trình cụ thể (độ tin cậy của hệ số ổn định), đặc biệt là trong trường hợp thiếu dữ liệu chứng minh được tính đại diện..
- Bài báo này sẽ phân tích ổn định mái dốc nền đường tại mặt cắt đại diện trên Quốc lộ 24 theo lý thuyết độ tin cậy dựa trên phương pháp mô phỏng.
- cũng như đánh giá mức độ ổn định cho các nền đường đang vận hành khai thác..
- 2 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Phương pháp nghiên cứu.
- Như tác giả đã trình bày ở trên, do cơ lý tính yếu của các lớp đất đá, đặc biệt là vào mùa mưa tại Tây Nguyên.
- Do đó, khi phân tích bài toán ổn định mái dốc theo lý thuyết độ tin cậy, bao gồm 2 quá trình sau đây:.
- Phân tích ổn định mái dốc được thực hiện theo 3 bước: (1) Xác định hàm phân phối của các chuỗi số liệu đầu vào.
- (2) Thiết lập mô hình bài toán và phân tích dòng thấm do mưa tác dụng vào nền đường.
- (3) Sử dụng kết quả xác định hàm phân phối để đưa vào khai báo phần mềm SLOPE/W để tính toán ổn định theo phương pháp tất định và xác suất.
- Sơ đồ chi tiết phân tích ổn định được thể hiện cụ thể ở Hình 2..
- Phân tích độ nhạy của các thông số đầu vào đối với hệ số ổn định được thực hiện theo 2 bước:.
- (2) Nhập các giá trị trên vào trong phần mềm SLOPE/W để phân tích độ nhạy.
- Sơ đồ phân tích độ nhạy được thể hiện cụ thể ở Hình 3..
- Hình 3: Sơ đồ tổng quan về phân tích độ nhạy 2.2 Số liệu tı́nh toán.
- Mặt cắt: Tác giả chọn mặt cắt đặc trưng đại diện để phân tích và tính toán ổn định nền đường trên tuyến đường Quốc lộ 24 theo “Hồ sơ bản vẽ thi công Quốc lộ 24” như sau: Vị trí tại đèo VioLak, lý trình Km60+345): Mặt cắt này có độ dốc taluy lớn (khoảng 46 0.
- Số liệu tính toán: Bao gồm chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất đá (Bảng 1) và lưu lượng thấm do mưa tại vùng tính toán..
- Thông số Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 Lớp 4 Chiều dày: H (m Độ ẩm: W.
- Hệ số thấm: K (cm/s) 6x10 -5 3x10 -5 6x10 -4 2x10 -4 Khi phân tı́ch thấm do mưa, tác giả sử du ̣ng lưu lươ ̣ng mưa ta ̣i tra ̣m đo mưa ConPlong là nơi tuyến đường đi qua để dùng số liê ̣u phân tı́ch.
- 3 KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN.
- Để tính toán ổn định, trước hết tác giả phân tích dòng thấm trong nền đất khi có hiện tượng mưa thấm theo modul SEEP/W.
- Kết quả phân tích mưa thấm như Hình 6 sau:.
- Hı̀nh 6: Kết quả phân tích thấm tại mặt cắt Từ kết quả theo hình trên tác giả thấy rằng:.
- 3.1 Phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp tất định.
- tı́ch hợp thêm vào modul SLOPE/W để phân tı́ch ổn đi ̣nh cho mái dốc trên.
- Kết quả thu được các hê ̣ số ổn đi ̣nh theo phương pháp Morgenstern – Price (M-P) như Hình 7:.
- Theo kết quả phân tích thì hệ số ổn định K ođ = 1.141 và hệ số này dùng để đánh giá ổn định nền đường theo tiêu chuẩn hiện hành..
- 3.2 Phân tích ổn định mái dốc theo lý thuyết độ tin cậy dựa trên mô phỏng Monte Carlo.
- SLOPE/W cho phép dùng các hàm phân bố, mô tả sự biến đổi của các thông số như là: Hàm phân bố chuẩn, hàm phân bố Log chuẩn, hàm phân bố đều, hàm phân bố hình tam giác và hàm phân bố dạng đường cong.
- Hàm phân bố chuẩn thường được gọi là hàm phân phối Gauss, là hàm mô tả sự biến đổi của các thông số nhập trong phân tích xác suất, nó được biểu diễn bằng biểu thức sau đây:.
- Tuy nhiên, do chưa có điều kiện để thí nghiệm sự thay đổi tính chất cơ lý của các lớp đất theo thời gian và không gian nên tác giả sử dụng kết quả nghiên cứu các lớp đất cơ bản (đất sét) từ nghiên cứu của Hoàng Hồng Giang, 2009..
- Kết quả như Bảng 2 sau:.
- Bảng 2 : Độ dao động của các chỉ tiêu cơ lý.
- kN/ m 3 ) C (kN/m 2 ) φ ( độ) μ δ (5%) μ δ (5%) μ δ (20%) Lớp Lớp Lớp Lớp Hàm tin cậy Z được xác định theo hệ số an toàn bằng biểu thức:.
- Chỉ số độ tin cậy (β) mô tả độ ổn định của mái dốc bằng số lần lệch chuẩn (σ) khỏi hệ số an toàn trung bình (μ) được xác định như sau:.
- Phân tích xác suất ổn định mái dốc sử dụng phương pháp Monte Carlo, số lượng phép thử phụ thuộc vào mức độ tin cậy yêu cầu của lời giải, cũng như số lượng biến đầu vào được xem xét.
- N mc : số lần thử Monte Carlo.
- β: mức độ tin cậy mong muốn (0% đến 100%) biểu diễn dưới dạng số thập phân.
- σ: độ lệch chuẩn tương ứng với mức độ tin cậy.
- Số lần thử Monte Carlo tăng lên về mặt hình học với mức độ tin cậy và số lượng biến.
- Theo tác giả Hoàng Hồng Giang, với 3 thông số đầu vào là lực dính, góc nội ma sát và dung trọng riêng thì số lần thử Monte Carlo tối ưu là 15.000 lần.
- với 4 thông số đầu vào là lực dính, góc nội ma sát, dung trọng riêng và mực nước ngầm thì số lần thử Monte Carlo tối ưu là 20.000 lần.
- Điều này có nghĩa là để đảm bảo độ chính xác, càng nhiều thông số đầu vào thì số lần thử Monte Carlo càng nhiều..
- Trong giới hạn nghiên cứu này, tác giả chỉ nghiên cứu phương pháp phân tích xác suất với 3 thông số đầu vào (γ, φ, C), vì vậy tác giả lựa chọn số lần thử Monte Carlo là 15.000 lần cho mô phỏng ngẫu nhiên các thông số này..
- Kết quả phân tích ổn định mái dốc theo mô phỏng Monte Carlo với 3 thông số đầu vào biến đổi (γ, φ, C) và số lần lặp là 15.000 lần như Bảng 3 sau:.
- Bảng 3: Kết quả phân tích ổn định mái dốc Trị trung bình hệ số ổn định 1.153.
- Chỉ số độ tin cậy 1.299.
- Xác suất phá hoại 9.047%.
- Ngoài ra, kết quả phân tích ổn định còn được biểu diễn dưới dạng hàm phân phối xác suất và mật độ xác suất của hệ số ổn định như Hình 8 và Hình 9..
- Hình 8: Kết quả hàm mật độ xác suất.
- Hình 9: Kết quả hàm phân phối xác suất Kết quả trên cho thấy, mặc dù hệ số ổn định trung bình (1.153) theo phương pháp Monte Carlo lớn hơn hệ số ổn định theo phương pháp tất định (1.141), tuy nhiên hệ số ổn định nhỏ nhất khi phân tích ổn định theo phương pháp Monte Carlo (0.604) lại nhỏ hơn rất nhiều hệ số ổn định khi phân tích ổn định theo phương pháp tất định.
- Điều đó chỉ ra rằng hệ số ổn định theo phương pháp tất định chưa hẳn đã phản ánh được trường hợp bất lợi nhất trong phân tích ổn định mái dốc.
- Việc tuyến đường bị sạt trượt vào mùa mưa năm 2013 (theo Hình 1) đã minh chứng cho việc hệ số an toàn khi thiết kế theo phương pháp tất định là không chính xác.
- Điều đó chứng tỏ hệ số an toàn luôn dao động (giữa min FS và max FS) theo mô hình xác suất là phản ánh khách quan bản chất của vấn đề ổn định.
- Mặt khác, khi phân tích theo phương pháp tất định thì chúng ta không thể đánh giá được xác suất phá hoại là bao nhiêu và độ tin cậy của các kết quả tính toán.
- Nhưng ngược lại, theo phương pháp Monte Carlo thì cho chúng ta được điều đó.
- Trong trường hợp này, xác suất phá hoại là 9.047% tương ứng với chỉ số độ tin cậy là 1.299.
- Xác suất phá hoại này là xác suất để hệ số ổn định nằm trong khoảng 0.604<FS<1, còn theo tiêu chuẩn Việt Nam hiện nay thì hệ số ổn định an toàn cho mái dốc lớn hơn rất nhiều (tiêu chuẩn 22TCN 171-87 quy định FS=K tc = 1.25).
- Vì vậy, nếu xét xác suất phá hoại khi hệ số an toàn FS<1.25 thì sẽ cao hơn rất nhiều con số 9.047% (khoảng 75% theo Hình 9).
- Rõ ràng đây là sự ưu việt của phương pháp tiếp cận mà tác giả nghiên cứu..
- 3.3 Phân tích độ nhạy của các tính chất đối với hệ số ổn định của công trình.
- Mục đích của việc phân tích độ nhạy là để xem sự biến động của các thông số đầu vào và đánh giá ảnh hưởng của chúng đến kết quả đầu ra..
- Điều quan trọng đầu tiên khi thiết lập mối quan hệ giữa các thông số đầu vào của mô hình phân tích độ nhạy là phải hiểu rõ tính chất của từng thông số.
- Thứ hai là các dữ liệu của thông số đầu vào (giá trị trung bình và độ dao động) phải được xác định.
- Điều này đóng vai trò quyết định trong phân tích độ nhạy..
- Việc phân tích độ nhạy mang lại kết quả tổng hợp của tất cả các thông số.
- Từ đó chúng ta sẽ có cơ sở để đánh giá mức độ ảnh hưởng của từng thông số đầu vào đối với kết quả.
- Tiến hành phân tích độ nhạy các thông số đầu vào cho cả 4 lớp đất, tác giả nhận thấy rằng chỉ có 2 lớp đất trên cùng (lớp 1 và lớp 2) có ảnh hưởng đến kết quả ổn định còn 2 lớp đất bên dưới (lớp 3 và lớp 4) không có ảnh hưởng.
- Kết quả được cụ thể được thể hiện như ở Hình 10 và Hình 11..
- Hình 11: Kết quả phân tích độ nhạy các thông số đầu vào của lớp đất 2 đối với hệ số ổn định.
- Ảnh hưởng của các thông số đầu vào đối với hệ số ổn định phụ thuộc vào tính chất thông số đó.
- Cụ thể, đối với trường hợp tính toán trên thì dung trọng tăng dẫn đến hệ số ổn định giảm (tỷ lệ nghịch).
- Trong khi đó, khi lực dính hay góc nội ma sát tăng thì hệ số ổn định cũng tăng theo (tỷ lệ thuận)..
- Đối với lớp đất thứ 2 thì độ nhạy của góc nội ma sát đối với hệ số ổn định là lớn nhất, tiếp theo là lực dính và cuối cùng là dung trọng.
- Tuy nhiên, đối với lớp đất 1 thì độ nhạy của dung trọng riêng đối với hệ số ổn định là lớn nhất, tiếp theo là góc nội ma sát và cuối cùng là lực dính.
- Vì vậy, không thể nói rằng tính chất của thông số quyết định toàn bộ độ nhạy của nó đối với hệ số ổn định..
- Ngoài ra, độ nhạy của các thông số đối với hệ số ổn định không chỉ phụ thuộc vào tính chất của thông số (các loại đất khác nhau) mà còn phụ thuộc vào vị trí cung trượt..
- Đất là một loại vật liệu phức tạp, các chỉ tiêu cơ lý không bền vững khi chịu tác động của môi trường đặc biệt là hiện tượng mưa, do đó việc phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp tất định không phản ảnh đúng thực tế.
- Vì vậy, phân tích ổn định theo mô hình xác suất sẽ cho chúng ta cách tiếp cận khách quan và phản ánh chính xác hơn..
- Trong phân tích ổn định mái dốc theo phương pháp xác suất, chúng ta có thể đánh giá được độ nhạy của các thông số đầu vào đối với hệ số ổn định.
- thấy được xác suất phá hoại, hệ số ổn định thấp nhất và chỉ số độ tin cậy của hệ số ổn định.
- Điều này sẽ giúp hạn chế phần nào sự sai lệch ngẫu nhiên trong quá trình tính toán, đồng thời dự báo được mức độ biến động hệ số ổn định trong điều kiện thực tế.
- Tùy theo tính chất công trình, yêu cầu thiết kế cụ thể (cấp công trình) mà chúng ta có thể lựa chọn hệ số ổn định với xác suất phá hoại khác nhau để làm cơ sở thiết kế cũng như đánh giá công trình..
- 22TCN 171-87: Quy trình khỏa sát địa chất và thiết kế biện pháp ổn định nền đường vùng có hoạt động sụt lở..
- Ứng dụng lý thuyết độ tin cậy và phương pháp thiết kế ngẫu nhiên trong đánh giá an toàn ổn định đê kè bờ biển.
- Giải bài toán ổn định trượt cung tròn nền đất đắp bằng phương pháp xác suất