Luận án tiến sĩ: "Nghiên cứu các giải pháp tăng cường ổn định bảo vệ mái đê biển tràn nước"

Chia sẻ: Nguyen Viet Dong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:145

Thêm vào BST

Báo xấu

120
lượt xem 28
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Việt Nam là quốc gia có đường bờ biển dài, có nhiều tỉnh, thành phố tiếp giáp với biển với dân số vùng ven biển khoảng 40 triệu người. Ven biển Việt Nam đã có hệ thống đê biển với các quy mô khác nhau được hình thành qua nhiều thế hệ.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận án tiến sĩ: "Nghiên cứu các giải pháp tăng cường ổn định bảo vệ mái đê biển tràn nước"

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI HOÀNG VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN TRÀN NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2012
ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI HOÀNG VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN TRÀN NƯỚC Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng Mã số: 62-58-60-01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Trịnh Minh Thụ 2.GS.TS Ngô Trí Viềng Hà Nội, 2012
iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học do chính tôi thực hiện. Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Hoàng Việt Hùng
iv LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Trịnh Minh Thụ và GS.TS Ngô Trí Viềng là hai Thầy hướng dẫn trực tiếp tác giả thực hiện luận án. Xin cảm ơn hai Thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ và cả hỗ trợ tài chính để tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu đúng thời gian. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới GS. Nguyễn Công Mẫn, xin cảm ơn Giáo sư đã có những đóng góp quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn GS.TS Nguyễn Quang Kim-Hiệu trưởng nhà trường đã có hỗ trợ kịp thời về thiết bị thí nghiệm trong quá trình nghiên cứu của tác giả luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Vụ Đại học và Sau Đại học-Bộ Giáo dục và Đào tạo, Hội đồng Khoa học Đào tạo Khoa Công trình, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Phòng Khoa học Công nghệ-Trường Đại học Thuỷ lợi, Cục Sở hữu Trí tuệ-Bộ Khoa học Công nghệ, các nhà khoa học từ các đơn vị đã có những đóng góp, giúp đỡ quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khuyến khích để tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu. Tác giả Hoàng Việt Hùng
v MỤC LỤC MỞ ĐẦU................................................................................................................ 1 1. Tính cấp thiết của đề tài......................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ..........................................................................2 3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................2 4. Nội dung nghiên cứu ...........................................................................3 5. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .............................................................4 7. Những đóng góp mới của luận án ........................................................4 8. Bố cục của luận án..............................................................................5 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN GIẢI PHÁP BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN................ 7 1.1 Mở đầu .....................................................................................................7 1.2 Tổng quan về giải pháp bảo vệ mái đê biển trên thế giới ..................7 1.2.1 Giải pháp bảo vệ mái đê phía biển ..................................................7 1.2.2 Giải pháp bảo vệ mái đê phía đồng ..............................................17 1.3 Tổng quan về giải pháp bảo vệ mái đê biển ở Việt Nam.........................19 1.3.1 Một số hình thức kết cấu kè mái đê phía biển ..............................19 1.3.2 Bảo vệ mái đê phía trong đồng ....................................................24 1.4 Một số vấn đề gây mất ổn định lớp bảo vệ mái đê biển thường gặp........24 1.4.1 Cơ chế phá huỷ đê khi sóng tràn ..................................................24 1.4.2 Một số tồn tại kỹ thuật của kè bảo vệ mái đê phía biển và mất ổn định do xói mái đê trong đồng ...............................................................27 1.4.3 Sự phá huỷ đê biển do sóng tràn ..................................................29 1.4.4 Hướng tiếp cận lựa chọn giải pháp công nghệ mới .......................30 1.5 Kết luận chương I....................................................................................31 CHƯƠNG II . CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH BẢO VỆ MÁI ĐÊ.................................................................................... 33 2.1 Đặc điểm của neo trong đất và nguyên tắc tính toán ...............................33 2.1.1 Mục đích......................................................................................33 2.1.2 Nguyên lý chống nhổ của thanh neo ............................................33 2.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến lực chống nhổ của thanh neo............34 2.1.4 Các phương pháp xác định khả năng chịu lực kéo nhổ của neo...36 2.2 Nghiên cứu neo gia cố cho tấm lát mái đê biển.......................................44 2.2.1 Đặt vấn đề....................................................................................44 2.2.2 Bản chất kỹ thuật của giải pháp ...................................................45
vi 2.3 Thiết lập biểu thức xác định sức chịu tải của neo xoắn sử dụng gia cố tấm lát mái đê biển...............................................................................................47 2.3.1 Những giả thiết và định lý dùng trong phương pháp phân tích giới hạn ........................................................................................................48 2.3.2 Lập biểu thức xác định sức chịu nhổ giới hạn ..............................52 2.4 Kết luận chương II...................................................................................57 CHƯƠNG III. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN.................................................. 59 3.1 Mở đầu ...................................................................................................59 3.2 Thí nghiệm xác định khả năng neo giữ của neo xoắn..............................59 3.2.1 Nội dung thí nghiệm ....................................................................59 3.2.2 Lập phương trình xác định Sêry thí nghiệm .................................60 3.2.3 Thiết kế neo xoắn ........................................................................63 3.2.4 Thí nghiệm thử tải neo xoắn ........................................................65 3.2.5 Kiểm chứng biểu thức xác định sức chịu tải neo xoắn .................74 3.2.6 Thí nghiệm mô hình vật lý để đánh giá mật độ bố trí neo gia cố ..79 3.3 Nghiên cứu ứng dụng phụ gia CONSOLID ............................................85 3.3.1 Giới thiệu về sản phẩm phụ gia CONSOLID và mục đích nghiên cứu ........................................................................................................85 3.3.2 Các thí nghiệm với đất á sét có phụ gia........................................85 3.3.3 Thí nghiệm với đất cát và á cát khi sử dụng phụ gia ...................98 3.3.4 Nhận xét về kết quả thí nghiệm đất gia cường ...........................103 3.4 Nghiên cứu khả năng xói bề mặt của đất có phụ gia .............................103 3.4.1 Mục đích....................................................................................103 3.4.2 Nội dung và kết quả thí nghiệm .................................................104 3.4.3 Nhận xét kết quả thí nghiệm xói bề mặt....................................106 3.5 Kết luận chương III ...............................................................................106 CHƯƠNG IV. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHO ĐÊ BIỂN NAM ĐỊNH...................................................................................... 109 4.1 Giới thiệu về công trình........................................................................109 4.2 Tài liệu dùng trong thiết kế...................................................................109 4.2.1 Tài liệu địa hình.........................................................................109 4.2.2 Tài liệu địa chất .........................................................................109 4.3 Giải pháp kỹ thuật nâng cấp đê.............................................................111 4.3.1 Các thông số cơ bản của đê biển Giao Thuỷ-Nam Định.............111
vii 4.3.2 Tăng cường ổn định bảo vệ mái đê phía biển theo tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển-2012 kết hợp neo gia cố tấm lát mái ..................111 4.3.3 Đề xuất tính toán gia cố mái đê kết hợp neo khi xét cân bằng áp lực đẩy ngược do sóng.........................................................................113 4.3.4 Xử lý đất đắp vỏ bọc đê biển phía đồng bằng phụ gia CONSOLID115 4.4 Xây dựng phần mềm tính toán viên gia cố mái đê biển kết hợp neo .....116 4.4.1 Mục đích...................................................................................116 4.4.2 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình......................................................116 4.4.3 Cấu trúc chương trình .................................................................116 4.5 Kết luận chương IV ...............................................................................121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ.......................................................................... 122 I. Kết luận............................................................................................122 II Điều kiện áp dụng kết quả nghiên cứu ............................................123 III Tồn tại ............................................................................................124 IV Kiến nghị........................................................................................125 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................ 127
viii MỤC LỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG I Hình 1.1: Gia cường mái đê biển ở Hà Lan ............................................................ 8 Hình 1.2: Cấu kiện bê tông lắp ghép ....................................................................... 8 Hình 1.3: Một dạng cấu kiện gia cố đê biển Nhật Bản............................................ 9 Hình 1.4: Thiết bị thi công cấu kiện gia cố mái đê biển Hà Lan ............................. 9 Hình 1.5: Cấu kiện bê tông gia cố dạng cột........................................................... 10 Hình 1.6: Kè đê biển đá xếp phủ nhựa đường....................................................... 11 Hình 1.7: Thảm bê tông liên kết bằng dây cáp...................................................... 12 Hình 1.8: Thảm bê tông được sử dụng làm kè đê biển Hà Lan............................. 12 Hình 1.9: Thảm gia cường bằng hệ thống túi vải địa kỹ thuật............................... 13 Hình 1.10: Mở rộng ứng dụng của túi địa kỹ thuật ............................................... 14 Hình 1.11: Ống địa kỹ thuật trong xây dựng đê kè ............................................... 14 Hình 1.12: Mở rộng ứng dụng của ống địa kỹ thuật.............................................. 15 Hình 1.13: Ống địa kỹ thuật gia cường bảo vệ bờ ở Hà Lan................................. 15 Hình 1.14: Một số biện pháp kỹ thuật gia cố mái đê............................................ 16 Hình 1.15: Vải địa kĩ thuật dùng gia cố lớp bảo vệ mái ....................................... 16 Hình 1.16: Thảm cỏ chống xói mái đê .................................................................. 17 Hình 1.17: Sử dụng lưới sợi tổng hợp kết hợp trồng cỏ chống xói....................... 18 Hình 1.18: Bể bê tông có bố trí ống tiêu nước ...................................................... 18 Hình 1.19: Bể bê tông có tính năng tiêu năng ....................................................... 19 Hình 1.20: Kè bảo vệ mái bằng đá lát khan ở Hải Hậu-Nam Định....................... 20 Hình 1.21: Kè đá xây liền khối ở Thái Bình.......................................................... 20 Hình 1.22: Kè lát mái bằng bê tông đổ tại chỗ ...................................................... 21 Hình 1.23: Kè bằng cấu kiện bê tông tấm nhỏ ...................................................... 22 Hình 1.24: Kè bằng cấu kiện bê tông khối lớn...................................................... 22 Hình 1.25: Kè lát mái bằng cấu kiện TSC-178 ..................................................... 23 Hình 1.26: Kè bằng cấu kiện BT liên kết 2 chiều.................................................. 23 Hình 1.27: Cơ chế phá huỷ đê khi sóng tràn ......................................................... 25 Hình 1.28: Lực tác dụng của sóng lên mái kè dạng tấm bê tông........................... 25 Hình 1.29: Tấm lát mái đê biển bị lún sụt ............................................................. 28 Hình 1.30: Tấm lát mái đê biển bị bong tróc......................................................... 28 Hình 1.31: Phá huỷ mái phía biển dẫn đến xói hỏng nền đê ................................. 28 Hình 1.32: Các viên gia cố không đủ trọng lượng................................................. 28 Hình 1.33: Mái đê biển phía đồng bị sóng tràn qua............................................... 29
ix Hình 1.34: Đê biển đắp bằng đất có hàm lượng cát cao bị xói hỏng..................... 29 Hình 1.35: Viên gia cố bị đẩy ngược..................................................................... 29 Hình 1.36: Đê biển Hải Phòng được cứng hoá bề mặt-chống sóng tràn ............... 30 Hình 1.37: Bão số 2-2005 mái hạ lưu bị phá huỷ toàn bộ do sóng tràn................ 30 CHƯƠNG II Hình 2.1: Nguyên lý chịu lực của thanh neo ......................................................... 33 Hình 2.2: Các hình thức mũi neo giữ .................................................................... 35 Hình 2.3: (a) Neo đất có dạng mở rộng đáy hình trụ tròn. (b) Đáy mở rộng với nhiều hình nón cụt................................................................................................. 35 Hình 2.4: Cấu tạo mũi cọc xoắn............................................................................ 39 Hình 2.5: Sơ đồ bố trí neo cho tấm lát mái............................................................ 45 Hình 2.6: Chi tiết các dạng neo gia cố................................................................... 46 Hình 2.7: Chi tiết liên kết với tấm lát mái ............................................................. 47 Hình 2.8: Ứng dụng lý thuyết dẻo cho đất ............................................................ 48 Hình 2.9: Mô hình vật lý mô phỏng hướng chuyển vị khi đất bị cắt..................... 49 Hình 2.10: Giả thiết mặt nón phá hoại của mũi neo xoắn ..................................... 52 Hình 2.11: Kết quả thí nghiệm mô hình đất tương tự với (H/D) ≤ 5 ÷ 7............... 55 Hình 2.12: Kết quả thí nghiệm mô hình đất tương tự với (H/D) = 8..................... 55 CHƯƠNG III Hình 3.1: Các chi tiết của neo xoắn....................................................................... 64 Hình 3.2: Hai mũi neo điển hình trong thí nghiệm................................................ 64 Hình 3.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm kéo neo ............................................................ 65 Hình 3.4: Sức chịu tải kéo nhổ của mũi neo theo các độ sâu................................. 68 Hình 3.5: Sức chịu tải kéo nhổ của mũi neo NĐ10-Đất đê Giao Thuỷ................. 69 Hình 3.6: Sức chịu tải kéo nhổ của mũi neo NĐ11-Đất đê Giao Thuỷ................. 70 Hình 3.7: Sức chịu tải kéo nhổ của neo xoắn NĐ10 - Đất nền khu vực Đại học Thuỷ lợi................................................................................................................. 72 Hình 3.8: Sức chịu tải kéo nhổ của neo xoắn NĐ11 - Đất nền khu vực Đại học Thuỷ lợi................................................................................................................. 73 Hình 3.9: Thiết bị và mô hình thí nghiệm ............................................................. 76 Hình 3.10: Sơ đồ bố trí thí nghiệm kéo mảng gia cố............................................. 80 Hình 3.11: Sơ đồ vị trí các viên gia cố tính từ điểm đặt tải (điểm 0)..................... 81 Hình 3.12: Diễn biến mẫu sau 1 giờ ngâm nước................................................... 88 Hình 3.13: Diễn biến mẫu sau 20 ngày ngâm nước .............................................. 89 Hình 3.14: Thiết bị nén một trục .......................................................................... 90
x Hình 3.15: Quan hệ ứng suất biến dạng của các mẫu nén nở hông tự do sau thời gian 6 ngày............................................................................................................ 91 Hình 3.16: Quan hệ ứng suất biến dạng của các mẫu nén nở hông...................... 91 tự do sau thời gian 15 ngày ................................................................................... 91 Hình 3.17: Quan hệ ứng suất biến dạng của các mẫu nén nở hông tự do sau thời gian 30 ngày.......................................................................................................... 92 Hình 3.18: Thiết bị nén ba trục.............................................................................. 94 Hình 3.19: Kết quả thí nghiệm mẫu 0% phụ gia .................................................. 95 Hình 3.20: Kết quả thí nghiệm mẫu 2% phụ gia .................................................. 95 Hình 3.22: Thí nghiệm rã chân mẫu đất cát có sử dụng phụ gia ........................... 98 Hình 3.23: Thí nghiệm đánh giá độ rã chân-sập mẫu.......................................... 100 Hình 3.24: Các mẫu sau 15 phút đổ nước ........................................................... 100 Hình 3.25: Các mẫu sau 30 ngày ngâm nước...................................................... 100 Hình 3.26: Một số hình ảnh thí nghiệm mẫu trong điều kiện ngập-khô-ngập..... 102 Hình 3.27: Chuẩn bị mẫu thí nghiệm .................................................................. 104 Hình 3.28: Điều chỉnh lưu lượng chảy qua mô hình ........................................... 105 Hình 3.29: Một số mặt cắt điển hình trong quá trình thí nghiệm........................ 106 CHƯƠNG IV Hình 4.1: Cấu trúc sơ đồ tính toán....................................................................... 117 Hình 4.2: Giao diện chương trình........................................................................ 118 Hình 4.3: Giao diện chương trình tính với lựa chọn 1......................................... 118 Hình 4.4: Giao diện chương trình tính với lựa chọn 2......................................... 119
xi MỤC LỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG I CHƯƠNG II Bảng 2.1: Giá trị tham khảo cường độ chống cắt của đất [20] .............................. 37 Bảng 2.2: Cường độ chống cắt của đất [20] .......................................................... 37 Bảng 2.3: Hệ số điều kiện làm việc m................................................................... 40 Bảng 2.4: Các hệ số A, B tính sức chịu tải kéo của cọc xoắn................................ 41 φ Bảng 2.5: Các giá trị của M, N ứng với α = φ và α = ....................................... 43 2 CHƯƠNG III Bảng 3.1: Các kích thước thực tế của hai neo xoắn............................................... 64 Bảng 3.2: Chỉ tiêu cơ lý của đất thí nghiệm .......................................................... 66 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của độ sâu cắm neo đến sức chịu tải .................................. 67 Bảng 3.4: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian của neo xoắn NĐ10 (H/D=8) .... 69 Bảng 3.5: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian của neo xoắn NĐ11 (H/D)=8 .... 71 Bảng 3.6: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian của neo xoắn NĐ10 (H/D=8) .... 72 Bảng 3.7: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian của neo xoắn NĐ11 (H/D=8) .... 73 Bảng 3.8: Kết quả đo trực tiếp góc mở α trên hố đào cắt ngang nón phá hoại.... 75 Bảng 3.9: Các thông số tính toán và kết quả kiểm nghiệm ................................... 78 Bảng 3.10: Tổng hợp xác định sức chịu tải của neo xoắn (kN)............................. 78 Bảng 3.11: Kết quả kéo mảng mô hình-Trường hợp không neo........................... 81 Bảng 3.12: Kết quả kéo mảng mô hình-Trường hợp có neo ................................ 84 Bảng 3.13: Các chỉ tiêu của đất á sét..................................................................... 86 Bảng 3.14: Sức kháng nén không hạn hông của các mẫu - qu (kN / m 2 ) .................. 92 Bảng 3.15: Kết quả thí nghiệm cắt trực tiếp của đất á sét...................................... 93 Bảng 3.16: Kết quả thí nghiệm cắt ba trục ............................................................ 96 Bảng 3.17: Tổng hợp kết quả thí nghiệm với đất á cát........................................ 103 Bảng 3.18: Kết quả thí nghiệm xói tràn tại máng thí nghiệm.............................. 105 CHƯƠNG IV Bảng 4.1: Chỉ tiêu cơ lý của các lớp đất.............................................................. 110 Bảng 4.3: Các thông số thiết kế của mũi neo xoắn.............................................. 113 Bảng 4.4: Khối lượng viên gia cố tính theo các phương pháp............................. 114 Bảng 4.5: Sức chịu tải kéo của neo xoắn............................................................. 115 Bảng 4.6: Kết quả tính toán bằng phần mềm NTM-01 ....................................... 120
xii BẢNG CÁC KÝ HIỆU W50 : Trọng lượng viên gia cố Hs : Chiều cao sóng thiết kế ρs : Khối lượng riêng của vật liệu ρw : Khối lượng riêng của nước biển ∆ : Hệ số dung trọng α : Góc mái dốc KD : Hệ số ổn định ξ : Hệ số sóng vỡ Dn50 : Kích thước viên gia cố P : Thông số xét đến tính thấm nước của lõi thân đê S : Hệ số tổn thất N : Số sóng ψu : Hệ số nâng cấp ổn định φ : Hàm ổn định σ : Ứng suất pháp trên mặt trượt đang xét τ : Ứng suất tiếp trên mặt trượt đang xét τ0 : Cường độ chống cắt của đất c : Lực dính đơn vị của đất φ : Góc ma sát trong của đất σc : Ứng suất tứ phía, tương đương tính liên kết giả θ max : Góc lệch lớn nhất của tổng tải trọng ngoài với pháp tuyến mặt trượt σ1 : Ứng suất chính lớn nhất σ3 : Ứng suất chính nhỏ nhất Pgh : Lực chống nhổ giới hạn của thanh neo Cu : Sức chống cắt không thoát nước α : Góc mở của hình nón phá hoại giả thiết khi kéo neo tấm xoắn
xiii εp & : Tốc độ biến dạng dẻo pháp hướng γ& p : Tốc độ biến dạng dẻo tiếp tuyến Ti , Fi : Ngoại lực tác động lên bề mặt vật thể và lực thể tích của bản thân vật thể ε ij * : Tốc độ biến dạng * u ij : Tốc độ chuyển vị V1 : Thể tích hình nón phá hoại giả thiết V : Véctơ tốc độ chuyển vị của hình nón phá hoại giả thiết S : Diện tích xung quanh hình nón phá hoại giả thiết H : Độ sâu từ mặt đất đến cánh xoắn trên cùng-công thức 2.26 L : Chiều dài mũi xoắn-công thức 2.26 NĐ10 : Neo xoắn sô 10 NĐ11 : Neo xoắn sô 11 H/D : Tỷ số giữa độ sâu cắm neo và đường kính neo K : Hệ số thấm tính toán của đất a : Diện tích ống đầu nước thay đổi L : Chiều dài mẫu thí nghiệm t : Thời gian nước thấm qua mẫu A : Tiết diện mẫu thí nghiệm thấm ω cb : Độ ẩm chế bị ρ : Khối lượng riêng ướt chế bị ρk : Khối lượng riêng khô chế bị ∆ : Tỷ trọng của đất ε : Hệ số rỗng n : Độ lỗ rỗng S : Độ bão hoà LL : Giới hạn chảy PL : Giới hạn dẻo
xiv PI : Chỉ số dẻo LI : Chỉ số chảy ρkmax : Khối lượng riêng khô lớn nhất ω tn : Độ ẩm tối ưu
1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Việt Nam là quốc gia có đường bờ biển dài, có nhiều tỉnh, thành phố tiếp giáp với biển với dân số vùng ven biển khoảng 40 triệu người. Ven biển Việt Nam đã có hệ thống đê biển với các quy mô khác nhau được hình thành qua nhiều thế hệ. Hệ thống đê biển này là tài sản lớn của đất nước, nếu được tu bổ, nâng cấp thường xuyên thì hệ thống đê biển sẽ là cơ sở vững chắc, tạo đà phát triển kinh tế, phục vụ công nghiệp hoá, hiện đại hoá đất nước. Theo xu thế phát triển chung, hiện nay vùng ven biển nước ta là một vùng kinh tế trọng điểm năng động, ngày càng đóng góp vai trò quan trọng hơn trong nền kinh tế quốc dân và an ninh quốc phòng. Đê biển không chỉ còn chống bão, ngăn mặn mà còn phải kết hợp đa mục tiêu như giao thông, du lịch. Các nước phát triển trên thế giới đã có nhiều đầu tư công nghệ, nhân lực, vật lực, chính sách pháp luật để cải tạo, nâng cấp đê biển. Tuy nhiên ở Việt Nam, phần lớn đê biển chỉ có thể đảm bảo an toàn với gió bão cấp 8, các dự án đê biển được sự hỗ trợ của dự án PAM, của dự án ADB cũng chỉ có thể chống với gió bão cấp 9 và mức nước triều 5%. Cũng theo báo cáo của Cục Quản lý đê điều và Phòng chống lụt bão[9], hiện trạng đê biển còn một số tồn tại chính là: (1) Đất đắp đê chủ yếu là đất cát pha (á cát) có độ chua lớn (pHKCL=3,5-4,5) nên rất khó trồng cỏ chống xói vì vậy hầu hết mái đê phía đồng chưa có biện pháp bảo vệ thoả đáng nên thường bị xói, sạt khi sóng leo vượt tràn đỉnh đê khi có bão hoặc do mưa lớn kéo dài dẫn đến nguy cơ vỡ đê rất cao [9]. (2) Phần lớn đê biển hiện có là đê trực diện với biển (350 km trên tổng số 484 km thống kê riêng cho đê biển Bắc Bộ) [9], một số đoạn đê trước đây có rừng chắn sóng nhưng đến nay rừng chắn sóng không còn dẫn đến đê trở thành trực diện với biển, nhiều nơi ở xa vùng cửa sông cũng không thể trồng cây chắn sóng vì vậy kè bảo vệ mái trở thành kết cấu quan trọng nhất để bảo
2 vệ đê biển. Hiện tại, kè mái phía biển thường bị bong tróc, lún sụt dưới tác dụng của sóng, nếu không có giải pháp tăng cường ổn định kè bảo vệ mái sẽ có nguy cơ vỡ đê bất cứ lúc nào. Do đó tăng cường ổn định kè mái phía biển và ổn định không xói mái đê phía đồng khi mưa lớn hoặc khi sóng tràn là các giải pháp cần thiết và cấp bách để nâng cao khả năng phòng chống thiên tai của hệ thống đê biển, tạo tiền đề thúc đẩy phát triển kinh tế, đảm bảo phát triển bền vững vùng ven biển. 2. Mục đích nghiên cứu Mục đích nghiên cứu của luận án là tìm ra được giải pháp khoa học, kinh tế, hiện đại nhưng phù hợp với điều kiện Việt Nam để tăng cường ổn định bảo vệ mái cho đê biển hiện có. Các mục đích cụ thể là: - Nghiên cứu tăng thêm ổn định cho kết cấu bảo vệ mái đê phía biển kiểu bê tông lắp ghép hai chiều và ổn định không xói mái đê trong đồng của đê biển hiện có trong điều kiện tác động của sóng leo vượt tràn đỉnh đê. - Nghiên cứu cơ sở khoa học cho giải pháp neo xoắn tăng cường ổn định mảng gia cố hiện tại bảo vệ mái đê phía biển mà không cần bóc bỏ, thay thế bằng cấu kiện mới. - Nghiên cứu các đặc trưng vật lý, cơ học của đất có trộn phụ gia, làm rõ đặc tính, ưu nhược điểm, hàm lượng tối ưu của phụ gia khi dùng gia cường cho đất á cát để đắp đê nhưng đảm bảo điều kiện không xói khi nước tràn đê. - Kết quả nghiên cứu được tính ứng dụng cho công trình thực tế. 3. Phạm vi nghiên cứu - Nghiên cứu neo xoắn dùng tăng cường ổn định mảng gia cố của cấu kiện bê tông lắp ghép kiểu hai chiều cho mái đê phía biển. Neo chịu lực kéo vuông góc với mái đê. Vật liệu đắp đê không dùng các loại đất dính ở trạng
3 thái dẻo mềm, dẻo chảy. Độ chặt đất đắp phải đạt theo tiêu chuẩn thiết kế đê biển-2012 [6]. - Nghiên cứu ứng dụng, đánh giá hiệu quả và các ảnh hưởng phụ không mong muốn của phụ gia CONSOLID khi sử dụng để gia cường đất tại chỗ dùng làm vỏ bọc đê biển thay thế cho đất sét truyền thống. Chưa nghiên cứu cơ chế tương tác gia cường đất, thành phần hoá học và chế tạo vật liệu CONSOLID. 4. Nội dung nghiên cứu - Nghiên cứu tổng quan các giải pháp gia cường bảo vệ mái đê biển trên thế giới và ở Việt Nam. Đánh giá tồn tại về kỹ thuật và chỉ ra vấn đề mà luận án tập trung giải quyết. - Nghiên cứu cơ sở lý thuyết của neo trong đất, thiết lập biểu thức sức chịu tải của neo xoắn mà tác giả đề xuất. - Nghiên cứu thực nghiệm về sức chịu tải của neo trong phòng thí nghiệm và hiện trường, kiểm chứng biểu thức giải tích đã thiết lập và điều kiện ứng dụng. - Nghiên cứu thực nghiệm gia cường đất khi sử dụng phụ gia CONSOLID. - Nghiên cứu ứng dụng cho đê biển Nam Định. 5. Phương pháp nghiên cứu - Nghiên cứu lý thuyết: Phân tích lý thuyết neo trong đất và nguyên tắc thiết kế, xây dựng cơ sở lý thuyết cho giải pháp neo xoắn dùng tăng cường ổn định cho cấu kiện bê tông gia cố mái đê biển. - Nghiên cứu thực nghiệm: Thí nghiệm mẫu vật liệu trong phòng thí nghiệm, thí nghiệm mô hình vật lý trong phòng, thí nghiệm hiện trường. Kiểm chứng cơ sở khoa học việc ứng dụng công nghệ.
4 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn a) Ý nghĩa khoa học: - Phân tích tổng quan các dạng kè bảo vệ mái đê biển ở Việt Nam và trên thế giới. Đánh giá các ưu, nhược điểm các dạng gia cố mái đê hiện tại, phân tích điều kiện ứng dụng, từ đó đề xuất giải pháp khoa học công nghệ mới, gia tăng độ an toàn cho đê biển hiện tại. - Làm rõ cơ sở khoa học của neo gia cố mái, đánh giá khả năng chịu tải của neo, xây dựng biểu thức tính toán, xác định được khoảng cách bố trí neo tối ưu. - Các thí nghiệm trong phòng đã làm rõ đặc tính gia cường đất của phụ gia CONSOLID, đánh giá hiệu quả cũng như các ảnh hưởng phụ không mong muốn của phụ gia đến đất gia cường. - Đề xuất tính ổn định mảng gia cố bằng cách xác định trực tiếp áp lực nước đẩy ngược lên mảng gia cố. Xét cân bằng áp lực này với trọng lượng viên gia cố và lực neo. Đề xuất này có ý nghĩa để mở rộng ứng dụng neo cho các kiểu gia cố khác nhau. b) Ý nghĩa thực tiễn Hiện tại đê biển của Việt Nam được đánh giá là thấp nên thường bị sóng leo tràn qua đỉnh đê và đê trực diện với biển nên kè mái phía biển không đảm bảo an toàn. Điều kiện kinh tế chưa cho phép xây dựng mới đê biển kiên cố hơn, kết quả nghiên cứu của luận án này sẽ được ứng dụng để tăng cường ổn định, gia tăng độ an toàn của đê biển hiện có, trước mắt sẽ ứng dụng cho đê biển Giao Thuỷ -Nam Định, đóng góp một phần khoa học công nghệ cho chương trình nâng cấp, xây mới hệ thống đê biển Việt Nam. 7. Những đóng góp mới của luận án (1) Giải pháp neo gia cố cho tấm lát mái là giải pháp mới, có tác dụng gia tăng ổn định và hạn chế chuyển vị, xô lệch của mảng gia cố mái đê phía
5 biển dưới tác dụng của sóng. Tác giả luận án đã được cấp bằng độc quyền về sáng chế số 10096. Theo quyết định số 9903/QĐ-SHTT, ngày 29.02.2012 của Cục Sở hữu Trí tuệ-Bộ Khoa học Công nghệ. (2) Biểu thức (2.26) được tác giả luận án thiết lập theo phương pháp phân tích giới hạn kết hợp lý thuyết dẻo và điều kiện bền Coulomb. Đây là điểm khác biệt cơ bản nhất với các nghiên cứu về neo đất trước đây. Ứng dụng này mở rộng bài toán cân bằng giới hạn tĩnh sang bài toán động thông qua nguyên lý bảo toàn năng lượng giữa công ngoại lực và nội năng tiêu tan khi vật thể đạt trạng thái cân bằng giới hạn. Các thí nghiệm về sức chịu tải của neo xoắn đã chuẩn hoá được biểu thức giải tích (2.26) và điều kiện ứng dụng của biểu thức này. (3) Đề xuất sử dụng phụ gia CONSOLID để gia cường đất hàm lượng cát cao đắp vỏ bọc đê biển thay thế đất sét cũng là đề xuất khoa học công nghệ mới, có tính hiệu quả cao khi nguồn đất sét đắp vỏ bọc đê biển ngày càng hạn hẹp. (4) Tác giả đã xây dựng được phần mềm ‘Neo gia cố tấm lát mái bảo vệ đê biển-NTM-01’ tiện dụng, đơn giản giúp cho người tính toán có nhiều lựa chọn khi xác định các tham số thiết kế neo gia cố cho các tấm lát mái đê biển. 8. Bố cục của luận án Lời cảm ơn Mở đầu Chương I: Tổng quan giải pháp bảo vệ mái đê biển Chương II: Cơ sở lý thuyết tính toán tăng cường ổn định đê Chương III: Thí nghiệm mô hình vật lý và thí nghiệm vật liệu đất đắp gia cường Chương IV: Ứng dụng kết quả nghiên cứu, tính toán cho đê biển Nam Định
6 Kết luận và kiến nghị Danh mục các tài liệu khoa học đã công bố Danh mục các tài liệu tham khảo Phụ lục Phụ lục 1: Tính áp lực nước đẩy ngược lên đáy bản gia cố mái Phụ lục 2: Mã nguồn phần mềm Neo-Tấm-Mái-01 (NTM-01) Phụ lục 3: Một số hình ảnh thí nghiệm Phụ lục 4: Bằng độc quyền sáng chế 10096-Theo quyết định số 9903/QĐ- SHTT, ngày 29.02.2012 của Cục Sở hữu Trí tuệ-Bộ Khoa học Công nghệ. Phụ lục 5: Mặt cắt thiết kế điển hình của đê biển Nam Định tại Km27+800