Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu xác định chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp Asphalt vào khe rỗng đá hộc và mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM

NGUYỄN MẠNH TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU THÂM NHẬP CỦA HỖN HỢP ASPHALT VÀO KHE RỖNG ĐÁ HỘC VÀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM

NGUYỄN MẠNH TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU THÂM NHẬP CỦA HỖN HỢP ASPHALT VÀO KHE RỖNG ĐÁ HỘC VÀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số : 958 02 02

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

1. PGS.TS. Nguyễn Thanh Bằng

2. GS.TS. Hồ Sĩ Minh

Hà Nội - 2020

-i-

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết

quả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ

một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu (nếu

có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định.

Tác giả luận án

Nguyễn Mạnh Trường

-ii-

LỜI CẢM ƠN

Với tất cả tình cảm của mình, tác giả xin bày tỏ lòng kính trọng và biết ơn sâu

sắc đến hai thầy hướng dẫn là PGS.TS. Nguyễn Thanh Bằng và GS.TS. Hồ Sĩ Minh

đã dành nhiều công sức, trí tuệ, tận tình hướng dẫn, chỉ bảo trong suốt quá trình tác

giả thực hiện luận án.

Tác giả xin trân trọng cảm ơn các nhà khoa học trong và ngoài Viện đã có những

đóng góp quí báu, chân tình và thẳng thắn để tác giả hoàn thiện luận án.

Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Cơ sở đào tạo Viện Khoa học Thủy lợi Việt

Nam, Viện Bơm và Thiết bị Thủy lợi đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong

quá trình nghiên cứu và công tác.

Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và bạn bè luôn

động viên, khích lệ để tác giả hoàn thành luận án.

Tác giả

Nguyễn Mạnh Trường

-iii-

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT ..................................................................... vi

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ ......................................................................... vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU ...................................................................................... x

MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 1

1. Đặt vấn đề ............................................................................................................. 1

2. Mục tiêu nghiên cứu .............................................................................................. 2

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ......................................................................... 3

4. Phương pháp nghiên cứu ...................................................................................... 3

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn ............................................................................... 3

6. Những đóng góp mới của luận án ......................................................................... 4

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI

ĐÊ BIỂN BẰNG VẬT LIỆU HỖN HỢP ASPHALT CHÈN TRONG ĐÁ

HỘC .......................................................................................................................... 5

1.1. Khái quát chung về đê biển và kè bảo vệ mái .................................................... 5

1.1.1. Khái quát chung ....................................................................................... 5

1.1.2. Các dạng kết cấu bảo vệ mái đê biển ở Việt Nam ................................... 6

1.2. Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc ...................................................... 8

1.2.1. Thành phần vật liệu .................................................................................. 8

1.2.2. Vai trò, tính chất của vật liệu thành phần. ............................................... 9

1.3. Tổng quan về kết quả nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn

trong đá hộc cho kết cấu bảo vệ mái đê biển .......................................................... 11

1.3.1. Trên thế giới ........................................................................................... 11

1.3.2. Ở Việt Nam ............................................................................................ 20

1.4. Các nghiên cứu về chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt và mô đun

đàn hồi của kết cấu mái đê biển .............................................................................. 22

1.4.1. Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc ........... 22

-iv-

1.4.2. Mô đun đàn hồi của kết cấu mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp

asphalt chèn trong đá hộc ........................................................................................ 27

1.5. Những vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu ...................................................... 33

1.5.1. Nghiên cứu chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng

đá hộc ...................................................................................................................... 33

1.5.2. Nghiên cứu mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng

vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc ............................................................. 34

1.6. Kết luận chương 1 ............................................................................................ 35

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU........... 36

2.1. Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc .................... 36

2.1.1. Những yếu tố ảnh hưởng đến chiều sâu thâm nhập ............................... 36

2.1.2. Xác định chiều sâu thâm nhập theo phương pháp quy hoạch thực

nghiệm ..................................................................................................................... 40

2.2. Mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển .............................................. 46

2.2.1. Những yếu tố ảnh hưởng tới mô đun đàn hồi ........................................ 46

2.2.2. Xác định mô đun đàn hồi theo phương pháp thực nghiệm .................... 48

2.3. Kết luận chương 2 ............................................................................................ 57

CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU THÂM NHẬP CỦA HỖN HỢP

ASPHALT VÀO KHE RỖNG ĐÁ HỘC VÀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA

KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN ...................................................................... 58

3.1. Chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc ........................... 58

3.1.1. Mô phỏng toán học ................................................................................. 58

3.1.2. Các yêu cầu mẫu và thiết bị thí nghiệm ................................................. 60

3.1.3. Trình tự thí nghiệm ................................................................................ 61

3.1.4. Kết quả thí nghiệm ................................................................................. 62

3.1.5. Tìm phương trình thực nghiệm .............................................................. 66

3.2. Mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp

asphalt chèn trong đá hộc ....................................................................................... 71

-v-

3.2.1. Xác định mô đun đàn hồi trong phòng thí nghiệm ................................ 71

3.2.2. Xác định mô đun đàn hồi ngoài hiện trường .......................................... 77

3.2.3. Xây dựng công thức thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi ................. 87

3.3. Kết luận chương 3 ............................................................................................ 92

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO KẾT CẤU

BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN HẢI HẬU - NAM ĐỊNH .............................................. 94

4.1. Đặc điểm đoạn đê biển thi công thử nghiệm ................................................... 94

4.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu xác định mô đun đàn hồi tính toán thiết kế

kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc ....... 95

4.2.1. Xác định điều kiện biên.......................................................................... 95

4.2.2. Tính toán chiều dày lớp giá cố ............................................................... 97

4.2.3. Kiểm tra điều kiện an toàn lớp gia cố .................................................. 100

4.2.4. So sánh, đánh giá kết quả nghiên cứu .................................................. 106

4.3. Ứng dụng kết quả nghiên cứu xác định chiều sâu thâm nhập so sách, đánh

giá với kết quả nghiên cứu của đề tài KHCN cấp nhà nước ĐTĐL.2012-T/06 ... 106

4.3.1. Mô hình thi công thử nghiệm ............................................................... 106

4.3.2. So sánh đánh giá độ nhớt nghiên cứu của luận án với kết quả nghiên

cứu của đề tài KHCN cấp nhà nước ĐTĐL.2012-T/06 ........................................ 110

4.4. Kết luận chương 4 .......................................................................................... 111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ............................................................................... 113

1. Kết luận: ............................................................................................................ 113

2. Những tồn tại, hạn chế. ..................................................................................... 113

3. Kiến nghị ........................................................................................................... 114

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ...................................................... 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO ..................................................................................... 116

PHỤ LỤC .............................................................................................................. 120

-vi-

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT

AASHTO Hiệp hội những người làm đường và vận tải Hoa Kỳ (American

Association of State Highway and Transportation Officials)

ASTM Tiêu chuẩn thí nghiệm của Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ

(American Society for Testing and Materials)

Bê tông cốt thép BTCT

BTN Bê tông nhựa

ĐHTL Đại học Thủy lợi

ĐTĐL Đề tài độc lập

EAPA Hiệp hội mặt đường asphalt Châu Âu

(European Asphalt Pavement Assosication)

FGSA Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

(Fully grouted stone asphalt)

GTVT Giao thông vận tải

HMT Hàm mục tiêu

KHCN Khoa học công nghệ

KHTL Khoa học Thủy lợi

NCS Nghiên cứu sinh

NN&PTNT Nông nghiệp và Phát triển nông thôn

NXB Nhà xuất bản

PTHQ Phương trình hồi qui

TCN Tiêu chuẩn ngành

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TRRL Phòng nghiên cứu vận tải và đường

(Transport and Road Research Laboratory)

TSKT Tiến sỹ kỹ thuật

-vii-

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1. 1- Các dạng mặt cắt ngang đê biển [7] ......................................................... 6

Hình 1. 2- Một số hình ảnh kết cấu bảo vệ mái đê biển Việt Nam [11],[12] ........... 7

Hình 1.3- Ứng dụng loại vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc thi công

đê biển ở Hà Lan năm 2013 [10] .................................................................... 12

Hình 1. 4 - Mô hình thử nghiệm gia tăng áp lực đẩy nổi [33] ................................ 14

Hình 1. 5 - Mô phỏng số của kè trong quá trình thử kéo (Frissen 2002)[33] ......... 15

Hình 1. 6- Mặt cắt điển hình đê chắn sóng [30] ...................................................... 16

Hình 1. 7- Mặt cắt đề xuất sử dụng vật liệu asphalt [21] ........................................ 16

Hình 1. 8- Mặt cắt đê truyền thống và đê sử dụng vật liệu asphalt [21] ................. 17

Hình 1. 9- Đê biển phía Tây Nam Hà Lan sử dụng vữa asphalt chèn đá

bazan[33] ......................................................................................................... 17

Hình 1. 10- Thiết bị rải san đầm vật liệu asphalt trên mái nghiêng [28] ................ 19

Hình 1. 11- Thiết bị vận chuyển và trạm trộn di động chuyên dụng [10] .............. 19

Hình 1. 12- Thiết bị đo độ nhớt Kerkhoven[31] ..................................................... 23

Hình 1. 13- Biểu đồ để dự tính mô đun độ cứng của vật liệu hỗn hợp có

bitum[17] ......................................................................................................... 32

Hình 1. 14- Biểu đồ xác định mô đun độ cứng của bitum (Van de Poel)[17] ....... 33

Hình 2. 1- Xác định tải trọng trục bánh xe .............................................................. 52

Hình 3. 1- Sơ đồ kế hoạch thực nghiệm .................................................................. 59

Hình 3. 2 - Một số trang thiết bị dụng cụ thí nghiệm .............................................. 61

Hình 3. 3- Một số hình ảnh quá trình thí nghiệm chiều sâu thâm nhập .................. 65

Hình 3. 4- Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với kích thước đá hộc và

độ nhớt, dạng 2D ............................................................................................. 68

-viii-

Hình 3. 5- Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với kích thước đá hộc và

độ nhớt, dạng 3D ............................................................................................. 68

Hình 3. 6- Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với kích thước đá hộc

ứng với các độ nhớt khác nhau ....................................................................... 69

Hình 3. 7- Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với độ nhớt hỗn hợp

asphalt ứng với các loại kích thước đá hộc khác nhau .................................... 70

Hình 3. 8- Một số hình ảnh trong quá trình đúc mẫu thí nghiệm trong phòng ....... 73

Hình 3. 9 - Một số hình ảnh quá trình thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng

......................................................................................................................... 75

Hình 3. 10 - Biểu đồ tương quan giữa nhiệt độ thí nghiệm và mô đun đàn hồi

trong phòng ..................................................................................................... 76

Hình 3. 11- Hê thống chất tải bằng máy đào .......................................................... 78

Hình 3. 12- Kích thủy lực sử dụng đo mô đun đàn hồi hiện trường ....................... 78

Hình 3. 13- Tấm ép cứng sử dụng đo mô đun đàn hồi hiện trường ........................ 79

Hình 3. 14- Đồng hồ đo biến dạng tại hiện trường ................................................. 79

Hình 3. 15 - Sơ đồ bố trí các điểm đo mô đun đàn hồi tại hiện trường .................. 82

Hình 3. 16- Chi tiết cấu tạo các lớp kết cấu mái đê biển ........................................ 83

Hình 3. 17 - Biểu đồ tương quan giữ nhiệt độ và mô đun đàn hồi tại hiện trường

......................................................................................................................... 86

Hình 3. 18 - Biểu đồ tương quan giữa nhiệt độ với mô đun đàn hồi trong phòng

và mô đun đàn hồi hiện trường ....................................................................... 87

Hình 3. 19 - Biểu đồ tương quan giữa mô đun đàn hồi trong phòng và mô đun

đàn hồi hiện trường ......................................................................................... 88

Hình 3. 20 - Biểu đồ tán xạ giữa Eht và Etp ............................................................. 89

Hình 3. 21- Đường biểu diễn mối liên hệ giữa mô đun đàn hồi hiện trường và

mô đun đàn hồi trong phòng ........................................................................... 91

-ix-

Hình 4. 1- Vị trí đoạn đê biển nghiên cứu............................................................... 94

Hình 4. 2- Hiện trạng hư hỏng đê biển Cồn Tròn - Hải Hậu [10] ........................... 94

Hình 4. 3- Đoạn đê sau thi công thử nghiệm .......................................................... 95

Hình 4. 4- Quan hệ chiều dày, phản lực nền, độ cao sóng tiêu chuẩn, mái dốc

đê đối với lớp gia cố bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

[31] .................................................................................................................. 97

Hình 4. 5 - Biều đồ áp lực sóng tính toán lớn nhất tác dụng lên mái dốc ............... 98

Hình 4. 6- Biểu đồ áp lực sóng phân bố đều trên mặt cắt ....................................... 99

Hình 4. 7- Biến dạng lớp gia cố bằng hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc [32].... 101

Hình 4. 8- Sơ đồ tính toán kiểm tra tác động của sóng dội [32] ........................... 101

Hình 4. 9- Sơ đồ áp lực đẩy nổi dưới đáy lớp gia cố asphalt [31] ........................ 104

Hình 4. 10- Kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn

trong đá hộc [10] .......................................................................................... 107

Hình 4. 11- Sơ đồ bố trí tổng thể mặt bằng thi công [10] ..................................... 108

Hình 4. 12- Mặt bằng bố trí các điểm thí nghiệm rút viên đá [10] ....................... 109

Hình 4. 13- Cân khối lượng viên đá hộc và thí nghiệm rút viên đá hộc [10] ....... 110

-x-

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1- Sản lượng sử dụng asphalt cho các công trình đê biển trên thế

giới[10] ............................................................................................................ 18

Bảng 1. 2- Bảng quan hệ giữa chiều cao sóng và chiều dày lớp vật liệu hỗn

hợp[31] ............................................................................................................ 18

Bảng 1. 3- Kết quả thí nghiệm độ nhớt của hỗn hợp asphalt [10] .......................... 24

Bảng 1. 4- Đặc trưng tính toán của hỗn hợp đá nhựa [1] ........................................ 29

Bảng 1. 5 - Đặc trưng tính toán của các loại vật liệu [1] ........................................ 30

Bảng 2. 1- Ma trận thực nghiệm theo mô hình bậc hai (5 thí nghiệm ở tâm) ......... 44

Bảng 2. 2- Giá trị cánh tay đòn d ............................................................................ 44

Bảng 2. 3- Các thông số của trục sau xe đo tiêu chuẩn........................................... 52

Bảng 3. 1- Khoảng biến thiên của các biến ............................................................. 59

Bảng 3. 2- Ma trận kế hoạch hóa thực nghiệm ....................................................... 60

Bảng 3. 3- Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ lý của cát vàng [10] .................. 62

Bảng 3. 4- Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của bột đá [10] ........................... 63

Bảng 3. 5- Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ lý bitum [10] ............................ 63

Bảng 3. 6- Kết quả thí nghiệm đá hộc[10] .............................................................. 64

Bảng 3. 7- Cấp phối hỗn hợp asphalt [10] .............................................................. 64

Bảng 3. 8- Kết quả thí nghiệm chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt ............. 66

Bảng 3. 9- Mô hình và kết quả phân tích ANOVA với hàm mục tiêu là chiều

sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc (ℓ) ................................ 67

Bảng 3. 10 - Bảng tra chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá

hộc ................................................................................................................... 71

Bảng 3. 11- Tổng hợp giá trị thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng .................. 76

Bảng 3. 12- Tổng hợp kết quả đo mô đun đàn hồi chung hiện trường ................... 83

-xi-

Bảng 3. 13- Tổng hợp giá trị mô đun đàn hồi của lớp kết cấu bằng vật liệu hỗn

hợp asphalt chèn trong đá hộc ......................................................................... 84

Bảng 3. 14- Tổng hợp kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi hiện trường Eht của

lớp kết cấu bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc ......................... 85

Bảng 4. 1- Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu chất lượng của hỗn hợp asphalt [10]

....................................................................................................................... 108

Bảng 4. 2- Kết quả thí nghiệm rút viên đá khỏi khối đổ tại hiện trường [10] ...... 110

-1-

MỞ ĐẦU

1. Đặt vấn đề

Nước ta có trên 3260 km bờ biển trải dài từ Bắc vào Nam với hệ thống đê biển

đã được hình thành củng cố qua nhiều thời kỳ. Hệ thống đê biển là tài sản quý của

Quốc Gia, là hạ tầng cơ sở quan trọng đối với sự phát triển ổn định kinh tế, xã hội,

quốc phòng và an ninh [10].

Đê biển là loại công trình quan trọng, dù nó không quá phức tạp về mặt kết cấu,

nhưng có những đặc điểm riêng. Đó là chiều dài lớn hơn nhiều so với chiều cao, đi

qua nhiều dạng địa hình địa chất khác nhau, được hình thành trong thời gian dài với

nhiều công nghệ thi công không giống nhau. An toàn và hiệu quả của đê biển phụ

thuộc rất lớn vào điều kiện tự nhiên (nhất là địa chất nền và tác động của các yếu tố

thủy hải văn, sóng biển), hoạt động của con người. Sự cố với đê biển có thể xảy ra

bất ngờ cả về thời gian và không gian. Do chuẩn thiết kế ở mức độ nhất định mà thực

tế có thể xảy ra vượt thiết kế, thiết kế chưa tính hết, hình thức công trình chưa phù

hợp, thi công chưa đảm bảo chất lượng ở đâu đó, công tác duy tu bảo dưỡng chưa tốt,

hỏng dần theo thời gian… An toàn và hiệu quả của đê biển trong bảo vệ đất đai, dân

cư, kinh tế và phòng chống thiên tai (nhất là nước biển dâng, sóng bão, xói lở bờ bãi,

biển xâm lấn…) phụ thuộc rất nhiều vào quy mô, độ bền về cường độ về ổn định

trượt, biến dạng của các bộ phận tạo nên đê, các công trình trong đê biển, trên đê biển,

trong đó có kết cấu bảo vệ mái đê biển.

Các nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam, ngoài vật liệu truyền thống như: đá

hộc, bê tông, bê tông cốt thép..., đã nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu bitum điển hình

nhất là Hà Lan đã sử dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc từ những năm

1960. Loại vật liệu đó vẫn bền vững cho đến ngày nay. Nếu biết thừa hưởng những

nghiên cứu trên ở các nước phát triển để nghiên cứu kết cấu bảo vệ mái đê biển ở

Việt Nam là cần thiết.

Ở Việt Nam do thay đổi về điều kiện thủy lực, thủy văn, vật liệu xây dựng, công

nghệ thi công… nên việc nghiên cứu sẽ theo hướng kế thừa những kết quả nghiên

cứu của các nước phát triển và điều chỉnh cho phù hợp.

Qua các kết quả nghiên cứu của các nước trên thế giới và đề tài KHCN cấp nhà

-2-

nước, mã số ĐTĐL.2012-T/06 “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp để gia cố đê

biển chịu được nước tràn qua do sóng, triều cường, bão và nước biển dâng” đã cho

thấy tính khả thi và sự phù hợp của loại vật liệu này. Tuy nhiên trong đề ĐTĐL.2012-

T/06 vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu, trong đó có hai nội dung

chính mà NCS muốn tiếp tục đi sâu vào nghiên cứu hoàn thiện.

Thứ nhất: Theo nghiên cứu ở ngoài nước, chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt

vào khe rỗng đá hộc hiện chưa có công thức tính toán hoặc việc xác định chiều sâu

thâm nhập bằng kết quả thí nghiệm sẽ mất rất nhiều thời gian. Một vấn đề nữa là

trong tính toán cấp phối của vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, việc xác định

độ nhớt của hỗn hợp asphalt vẫn lấy theo kinh nghiệm. Vì vậy, tác giả tiến hành

nghiên cứu thiết lập quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt với kích

thước đá hộc và độ nhớt hỗn hợp asphalt. Qua đó xác định được chiều sâu thâm nhập

và độ nhớt phục vụ tính toán thiết kế, thi công ứng dụng loại vật liệu hỗn hợp asphalt

chèn trong đá hộc cho kết cấu bảo vệ mái đê biển.

Thứ hai: Ở nước ngoài, theo [31] chiều dày của lớp gia cố được tính bằng hai

phương pháp là tra biểu đồ hoặc công thức giải tích. Ở Việt Nam nghiên cứu [10] đã

sử dụng phương pháp tra biểu đồ. Theo đó, việc tính toán rất thuận lợi, nhưng kết quả

𝑠

có độ chính xác không cao. Để hoàn thiện tiếp phương pháp tính toán chiều dày lớp

[31], cần phải xác

5 gia cố (h) bằng công thức giải tích h = 0,75. √

1 (1−𝜈2)

𝑐

𝑝 𝜎𝑏

. . ( )4. ( )

định được giá trị mô đun độ cứng (S), là một chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của kết cấu bảo

vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc. Vì vậy tác giả sẽ

nghiên cứu phương pháp tính toán, thí nghiệm xác định mô đun độ cứng (S).

Với những lý do nêu trên, tác giả đề xuất tên luận án: “Nghiên cứu xác định chiều

sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc và mô đun đàn hồi của kết

cấu bảo vệ mái đê biển”.

2. Mục tiêu nghiên cứu

Thiết lập mối quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt với kích

thước đá hộc và độ nhớt hỗn hợp asphalt cho kết cấu bảo vệ mái đê biển Việt Nam.

Thiết lập mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng

-3-

vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc ở trong phòng thí nghiệm và hiện trường.

Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt và mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ

mái đê biển kiểm tra, tính toán trên mô hình áp dụng thực tế.

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là kè đá hộc bảo vệ mái đê phía biển, dạng mái nghiêng m

= 3 ÷ 4 các tỉnh phía Bắc.

Phạm vi nghiên cứu là sự thâm nhập của hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc và

một số chỉ tiêu cơ học của vật liệu và kết cấu.

4. Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước về xây dựng

công thức thực nghiệm xác định chiều sâu thâm nhập và mô đun đàn hồi của kết cấu

bảo vệ mái đê biển.

Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng và hiện trường

về chiều sâu thâm nhập, độ nhớt hỗn hợp asphalt, kích thước đá hộc, mô đun đàn hồi

của kết cấu bảo vệ mái đê biển theo các tiêu chuẩn hiện hành trong nước và Quốc tế,

đồng thời kết hợp với các phương pháp phi tiêu chuẩn để có những kết quả chính xác,

là cơ sở chứng minh cho những nhận định, luận điểm mà lý thuyết đưa ra.

Phương pháp chuyên gia: Tổ chức hội thảo khoa học và các cuộc họp có phản

biện, bao gồm các nhà khoa học có hiểu biết chuyên sâu về chuyên ngành kỹ thuật

xây dựng công trình thủy đến họp, cho ý kiến góp ý, đánh giá, phản biện kết quả

nghiên cứu.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Về khoa học: Luận án đã nghiên cứu làm rõ mối quan hệ giữa các chỉ tiêu cơ lý

của vật liệu, để xác định chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá

hộc và mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển.

Về thực tiễn: Góp phần hoàn thiện phương pháp xác định chiều sâu thâm nhập,

độ nhớt của hỗn hợp asphalt và mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển, phục

vụ cho việc tính toán chiều dầy lớp kết cấu bảo vệ mái, thiết kế cấp phối và thi công

kè bảo vệ mái đê biển bằng đá hộc có sử dụng hỗn hợp asphalt ở Việt Nam.

-4-

6. Những đóng góp mới của luận án

(1) Luận án đã xây dựng phương pháp luận và thiết lập công thức thực nghiệm

xác định chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc, công thức

(3.3).

(2) Luận án đã xây dựng phương pháp luận và thiết lập công thức thực nghiệm

xác định mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt

chèn trong đá hộc, công thức (3.7).

-5-

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ VẬT LIỆU VÀ KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ

BIỂN BẰNG VẬT LIỆU HỖN HỢP ASPHALT CHÈN TRONG ĐÁ HỘC

1.1. Khái quát chung về đê biển và kè bảo vệ mái

1.1.1. Khái quát chung

Việt Nam là một quốc gia năm trong khu vực ổ bão tây bắc Thái Bình Dương

với đường bở biển dài. Hệ thống đê biển của nước ta đã được hình thành từ rất sớm,

là minh chứng cho quá trình chống chọi với thiên nhiên không ngừng của người Việt

Nam. Hệ thống đê biển đã được xây dựng, bồi trúc và phát triển qua nhiều thế hệ với

vật liệu chủ yếu là đất và đá lấy tại chỗ do người địa phương tự đắp bằng phương

pháp thủ công.

Theo xu thế phát triển hiện nay, vùng ven biển nước ta sẽ là một vùng kinh tế

trọng điểm năng động và ngày càng đóng vai trò quan trọng hơn trong nền kinh tế

quốc dân và an ninh quốc phòng. Do vậy, phải xây dựng tuyến đê biển kết hợp đa

mục tiêu vừa phòng chống thiên tai, ngăn lũ, kiểm soát mặn, bảo đảm an toàn dân

sinh, kinh tế cho vùng đê bảo vệ, đồng thời kết hợp là tuyến đường giao thông ven

biển quan trọng phục vụ phát triển kinh tế, du lịch, an ninh quốc phòng. Tạo tiền đề

thúc đẩy phát triển kinh tế, đảm bảo phát triển bền vững khu vực ven biển.

Đê biển là loại công trình quan trọng, tuỳ thuộc vào quy mô và tính chất của khu

vực tuyến đê bảo vệ mà được phân thành 5 cấp [7]. Cấp công trình đê biển là căn cứ

để xác định các yêu cầu kỹ thuật bắt buộc phải tuân thủ theo các mức khác nhau phù

hợp với quy mô và tầm quan trọng của công trình đê biển, là cơ sở và căn cứ pháp lý

để thiết kế và quản lý đê biển. Cấp thiết kế công trình đê biển cũng là cấp công trình

đê biển. Căn cứ vào điều kiện dân sinh kinh tế và môi trường, địa hình, địa chất, khí

tượng thủy văn, hải văn… để lựa chọn vị trí tuyến đê, hình dạng tuyến đê và hình

dạng mặt cắt đê biển.

Căn cứ vào đặc điểm hình học của mái đê phía biển, mặt cắt đê biển được chia

thành 3 loại chính là đê mái nghiêng, đê tường đứng và đê hỗn hợp (trên nghiêng

dưới đứng hoặc trên đứng dưới nghiêng). Căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất,

thủy hải văn, vật liệu xây dựng, điều kiện thi công và yêu cầu sử dụng để chọn dạng

mặt cắt đê biển phù hợp. Hình 1.1 giới thiệu 8 dạng mặt cắt điển hình [7].

-6-

Hình 1. 1- Các dạng mặt cắt ngang đê biển [7]

Để đảm bảo an toàn và hiệu quả của đê biển, việc tính toán lựa chọn quy mô,

hình thức xử lý nền, hình dạng mắt cắt và vật liệu sử dụng cho thân đê, các công trình

qua thân đê, các công trình trên đê trong đó có hình thức kè bảo vệ mái đê biển là vô

cùng quan trọng.

Kè bảo vệ mái có 3 bộ phận chính: Đỉnh kè (thường có tường đỉnh), thân kè và

chân kè. Kè có rất nhiều loại cấu tạo khác nhau (cứng-mềm; bê tông - đá xây - đá đổ

- đá lát khan - đá chít mạch; đổ tại chỗ - lắp ghép; phối hợp).

1.1.2. Các dạng kết cấu bảo vệ mái đê biển ở Việt Nam

Hệ thống đê biển của nước ta hiện tại đang sử dụng phổ biến các dạng kết cấu

bảo vệ mái, bao gồm: Trồng cỏ (1); Đá hộc thả rối (2); Đá hộc lát khan (3); Đá hộc

xây (4); Thảm rọ đá (5); Tấm bê tông đúc sẵn, ghép rời (6); Tấm bê tông đúc sẵn, liên

kết mảng (7); Hỗn hợp nhiều loại (8)…[7]. Một số hình ảnh kết cấu mái đê biển như

hình 1.2.

-7-

a. Giá cố mái bằng trồng cỏ tuyến đê biển b. Đá hộc thả rối, đê biển Cát Hải Hải Phòng Đồng Môn Hà Tĩnh

e.Thảm rọ đá đê biển Lạch Vạn Nghệ An f.Cấu kiện bê tông đúc sẵn ghép rời

g.Cấu kiện bê tông đúc sẵn, liên kết mảng đê biển Nghĩa Phúc Nam Định

c.Đá lát khan, giữ bằng khung đá xây đê biển d.Đá xây chia ô, đê biển Hải Thịnh II Hải Hậu, Nam Định Nam Định

Hình 1. 2- Một số hình ảnh kết cấu bảo vệ mái đê biển Việt Nam [11],[12]

-8-

Cho đến nay, các giải pháp kết cấu bảo vệ mái đê biển trên đã được áp dụng một

cách phổ biến. Tuy nhiên, mỗi một giải pháp chỉ có một phạm vi thích hợp nhất định.

Bên cạnh đó, phần lớn chúng bộc lộ các khuyết điểm như mái đê dễ bị xói sạt khi

mưa lớn, sóng leo trong bão, sóng biển mạnh ăn mòn lớp gia cố đê biển bằng bê tông

một cách nhanh chóng làm cho tuổi thọ lớp bảo vệ này giảm đáng kể, thường xuyên

phải thay bằng các tấm bê tông mới rất tốn kém, giá thành cao, thời gian thi công dài,

gây ô nhiễm môi trường... Vì vậy, việc tiếp tục nghiên cứu ứng dụng các giải pháp

khoa học công nghệ mới, ứng dụng công nghệ đã có ở nước ngoài để bảo vệ mái đê

ổn định và bền vững luôn là nhiệm vụ cấp thiết.

1.2. Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

1.2.1. Thành phần vật liệu

Vật liệu dùng cho hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc về cơ bản bao gồm: cốt liệu

chính (cát), bột đá, phụ gia (nếu có), chất kết dính (bitum). Hỗn hợp asphalt chèn

trong đá hộc là một dạng vật liệu hỗn hợp với hàm lượng bitum cao (vào khoảng 14-

20% so với tổng khối lượng hỗn hợp), ở nhiệt độ 120oC-170oC hỗn hợp ở trạng thái

nhớt lỏng khi thi công để có thể tự chèn lấp đầy vào các khe rỗng giữa các viên đá

hộc.

Các tính chất của vật liệu hỗn hợp asphalt phụ thuộc vào tỉ lệ và tính chất của các

vật liệu thành phần, phụ thuộc vào sự phân bố chất kết dính trong hỗn hợp và mức độ

dính kết giữa cốt liệu và bitum. Mỗi thành phần trong hỗn hợp đóng một vai trò nhất

định và có liên quan chặt chẽ đến nhau trong việc tạo nên một khối liên kết có đủ các

tính chất cần thiết của vật liệu gia cố bảo vệ mái đê biển.

Cốt liệu với chức năng tạo bộ khung chịu lực cho hỗn hợp. Thành phần kích cỡ

hạt cốt liệu phải đảm bảo thoả mãn đường cong cấp phối tiêu chuẩn, được quy định

cho mỗi loại hỗn hợp khác nhau với mục đích tạo khung chịu lực bền vững, mà vẫn

đảm bảo màng chất dính kết đủ bao bọc và kết dính các hạt cốt liệu.

Bitum là một thành phần cơ bản, đồng thời là thành phần tạo nên tính chất tiêu

biểu của hỗn hợp asphalt, đó là tính đàn hồi - nhớt ở nhiệt độ thấp và dẻo - chảy ở

nhiệt độ cao [15]. Các tính chất của bitum thay đổi hẳn về bản chất khi điều kiện chịu

-9-

tải trọng thay đổi, làm cho cường độ và độ ổn định của hỗn hợp asphalt cũng thay đổi

đáng kể.

Trong hỗn hợp asphalt, bitum cùng với bột khoáng tạo nên chất liên kết asphalt.

Bột khoáng không chỉ có chức năng làm đầy các lỗ rỗng trong khung cốt liệu, mà còn

là thành phần làm biến đổi tính chất kết dính thuần tuý của bitum trong asphalt. Bột

khoáng làm màng nhựa trở nên mỏng, do đó tăng khả năng dính kết. Ngoài ra, bột

khoáng còn cải thiện tính chất nhạy cảm với nhiệt độ của bitum, do việc sử dụng bột

khoáng làm tăng nhiệt độ hoá mềm của chất dính kết asphalt, mà không làm thay đổi

nhiệt độ nứt gãy của nó.

Một thành phần nữa trong vật liệu hỗn hợp asphalt cần phải kể đến là phụ gia.

Có nhiều loại phụ gia được nghiên cứu sử dụng để cải thiện tính chất nhất định của

vật liệu asphalt, phù hợp với một mục đích sử dụng nhất định.

1.2.2. Vai trò, tính chất của vật liệu thành phần.

1.2.2.1. Cốt liệu

Ảnh hưởng của cốt liệu đến tính chất và khả năng chịu lực của vật liệu hỗn hợp

asphalt là rất lớn. Cốt liệu lý tưởng cho hỗn hợp phải có cấp phối hợp lý, cường độ

cao, khả năng chịu lực tốt. Những tính chất khác bao gồm độ rỗng thấp, bề mặt xù xì,

ít bị bám bẩn.

Cấp phối, cường độ, độ hao mòn, và hình dạng của cốt liệu là rất quan trọng ảnh

hưởng đến sự ổn định của kết cấu. Độ rỗng và đặc trưng bề mặt vật liệu khoáng ảnh

hưởng rất lớn đối với mối liên kết giữa bitum và bề mặt vật liệu khoáng. Chất kết

dính asphalt hay các sản phẩm của nó phải dính chặt vào cốt liệu và đồng thời phải

bao phủ toàn bộ bề mặt cốt liệu. Nếu cốt liệu có độ rỗng thấp và trơn nhẵn chất kết

dính asphalt không thể dính vào cốt liệu. Sự dính bám trở thành một chỉ tiêu rất quan

trọng khi hỗn hợp bị đặt trong môi trường nước. Nếu cốt liệu rất dễ thấm ướt, nước

sẽ cạnh tranh với bitum để ngấm vào bề mặt cốt liệu và cốt liệu sẽ bị tách ra không

dính vào bitum. Hiện tượng này đã được biết và nó được gọi là sự bong, tróc của

bitum với vật liệu khoáng [15],[16].

1.2.2.2. Cát

-10-

Vai trò của cát trong vật liệu hỗn hợp asphalt là chèn kẽ hở giữa các hạt cốt liệu

lớn, làm tăng độ đặc của hỗn hợp. Có thể dùng cát tự nhiên hay cát nhân tạo có các

chỉ tiêu kỹ thuật phù hợp với quy phạm như khi dùng cho bê tông nhựa.

Cát tự nhiên để chế tạo vật liệu hỗn hợp asphalt không được lẫn tạp chất hữu cơ.

Cát xay phải được nghiền từ đá có cường độ nén không nhỏ hơn cường độ nén

của đá dùng để sản xuất ra đá dăm [2].

1.2.2.3. Bột khoáng

Bột khoáng là thành phần quan trọng trong vật liệu hỗn hợp asphalt. Nó không

những nhét đầy lỗ rỗng giữa các loại cốt liệu lớn hơn (cát, đá) làm tăng độ đặc của

hỗn hợp mà còn làm tăng diện tích tiếp xúc, làm cho màng bitum trên mặt hạt khoáng

càng mỏng và như vậy lực tương tác giữa chúng tăng lên, cường độ và độ bền nước

của vật liệu hỗn hợp asphalt cũng tăng lên. Ngoài ra đối với vật liệu hỗn hợp asphalt

chèn trong đá hộc, nó còn làm cho hỗn hợp đạt được độ lưu động cần thiết, tránh

được hiện tượng phân tầng để lấp đầy trong các lỗ rỗng của các viên đá hộc.

Khi trộn với bitum trong hỗn hợp, bột khoáng cần tạo nên một lớp hoạt tính, ổn

định nước. Mối quan hệ vật lý, hoá học giữa bề mặt hạt bột khoáng và bitum làm tăng

cường độ của vật liệu hỗn hợp asphalt nhưng cũng làm tăng tính giòn của nó. Vì vậy,

lượng bột khoáng trong hỗn hợp chỉ được dùng trong một giới hạn nhất định, để

tránh làm tăng tốc độ hoá già của bitum trong hỗn hợp.

Bột khoáng để chế tạo vật liệu hỗn hợp asphalt thường sử dụng các loại bột mịn

từ đá vôi và đá đôlômit có cường độ nén của đá gốc lớn hơn 20 MPa. Vật liệu chế tạo

bột khoáng cần sạch, không chứa các chất bẩn và sét quá 5%. Bột khoáng cần phải

khô, xốp khi trộn với bitum, không được vón cục, có khả năng hút bitum tốt [2], [14],

[16], [31].

1.2.2.4. Bitum

Bitum đóng vai trò là chất kết dính để liên kết các thành phần vật liệu rời lại với

nhau. Vì vậy một trong những chức năng quan trọng nhất của bitum là dính bám với

bề mặt các hạt cốt liệu và liên kết chúng lại với nhau. Sự liên kết của bitum với bề

mặt vật liệu khoáng có liên quan đến quá trình thay đổi hoá - lý khi hai chất tiếp xúc

-11-

và tương tác với nhau. Chất lượng của mối liên kết này đóng vai trò quan trọng trong

việc tạo nên cường độ, tính ổn định nước và ổn định nhiệt độ hỗn hợp bitum và vật

liệu khoáng. Có rất nhiều các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dính bám giữa bitum

và vật liệu khoáng. Các yếu tố đó phụ thuộc cả vào đặc tính của vật liệu cũng như các

yếu tố tác động bên ngoài [16].

Bitum là vật liệu có tính nhớt - đàn hồi và đặc tính của chúng biến động từ thuần

nhớt đến đàn hồi, phụ thuộc vào thời gian chịu tải và nhiệt độ. Khi hỗn hợp bitum đã

được thi công đưa vào sử dụng ở những vùng khí hậu nóng, đặc tính của bitum có thể

được xem là nhớt, nhưng trong hầu hết các điều kiện làm việc bitum biểu hiện tính

đàn hồi - nhớt và đặc tính của chúng, có thể diễn tả bằng mô đun độ cứng.

Đặc điểm kỹ thuật của hỗn hợp asphalt chịu ảnh hưởng lớn của đặc tính lưu biến

(hay cơ học) và một phần thành phấn hóa học của bitum. Tuy nhiên, khi hỗn hợp đã

được thi công thì yếu tố thành phần hóa học của bitum lại đặc biệt quan trọng, vì yếu

tố này ảnh hưởng đến tốc độ oxy hóa của công trình, qua đó quyết định thời gian

bitum bị bào mòn dài hay ngắn. Có nhiều yếu tố tác động đến đặc tính của bitum bao

gồm cả bản chất cốt liệu, thành phần hỗn hợp asphalt, tỷ lệ bitum trong hỗn hợp…Tất

cả các yếu tố trên ảnh hưởng đến độ bền của công trình [17].

Hàm lượng bitum: Một hàm lượng bitum hợp lý vừa đủ bao bọc và liên kết cốt

liệu khoáng chất cũng cho phép cải thiện chất lượng vật liệu hỗn hợp aspahlt.

Hàm lượng nhựa quá cao sẽ làm cho hỗn hợp kém ổn định nhiệt, khi nhiệt độ cao

lượng nhựa thừa này có xu thế "nổi trồi" lên bề mặt, làm giảm độ liên kết giữa các

viên đá, giảm khả năng chịu tải.

Bitum dùng để chế tạo vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc là loại bitum

đặc, gốc dầu mỏ thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật quy định tại TCVN 7493-2005.

1.3. Tổng quan về kết quả nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn

trong đá hộc cho kết cấu bảo vệ mái đê biển

1.3.1. Trên thế giới

Hàng thế kỷ trước đây, vật liệu nhựa đường đã được sử dụng ở vùng Trung Âu

vào việc làm kín nước. Tại Hà Lan, sau cơn bão năm 1953 có rất nhiều đê phải sửa

-12-

chữa. Bởi vì các vật liệu truyền thống được sử dụng theo thời gian đã trở thành khan

hiếm, việc sử dụng nhựa đường vào xây dựng đê biển trở nên phát triển. Vật liệu này

thường dùng kết hợp với vật liệu khác để gia cường, chẳng hạn nhựa đường - đá xếp,

nhựa đường - bê tông khối, bê tông asphalt..., đã được ứng dụng trong xây dựng công

trình thủy lợi, đê biển của nhiều nước tiên tiến như Na Uy, Hà Lan, Mỹ và một số

nước khác.

Nhiều nước trên thế giới trong đó có Hà Lan, nghiên cứu thành công và sử dụng

rất phổ biến vật liệu cát, đá và bitum để bảo vệ mái đê biển từ năm 1960 và vẫn bền

vững cho đến ngày nay. So với các vật liệu gia cố mái đê biển thường dùng trước đây

là bê tông hoặc bê tông cốt thép thì vật liệu hỗn hợp nhựa đường, cát, đá có những

tính năng ưu việt hơn, đó là: khả năng biến dạng, đàn hồi tốt, có thể thích ứng một

cách mềm dẻo với những biến dạng của nền đê và thân đê, hạn chế được những lún

sụt, xói lở cục bộ của đê biển, độ bền và tuổi thọ cao,…Hình ảnh thi công thực tế đê

biển ở Hà Lan, hình 1.3.

Hình 1.3- Ứng dụng loại vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc thi công đê biển ở Hà Lan năm 2013 [10]

1.3.1.1. Quá trình nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt cho công trình đê

biển

Có nhiều tài liệu nghiên cứu và tài liệu về việc sử dụng nhựa đường trong kỹ

thuật thủy lợi. Một trong những cuốn sách đầu tiên về nhựa đường trong kỹ thuật thủy

lợi được thực hiện bởi Baron van Asbeck. Cuốn sách này được xuất bản năm 1955

bởi Shell International. Nó bao gồm một loạt các đối tượng từ các bài kiểm tra trong

phòng thí nghiệm đến các ứng dụng thực tế. Năm 1961 nhóm nghiên cứu "gesloten

-13-

dijkbekledingen” đã công bố một báo cáo có tên là “voorlopig rapport" (báo cáo

khởi đầu). Nhóm nghiên cứu được tập hợp để điều tra những yếu tố quan trọng để

đảm bảo kín nước và độ bền của hỗn hợp asphalt. Báo cáo này bao gồm: Tính toán

thành phần của vật liệu, độ bền của vật liệu, thiết kế, xây dựng và kinh nghiệm sử

dụng vật liệu [34].

Shell International xuất bản tập hai cuốn sách về nhựa đường trong kỹ thuật thủy

lợi vào năm 1964. Về cơ bản nó là một phần mở rộng của tập đầu tiên. Trong phiên

bản này nhiều ví dụ về ứng dụng thực tế được đề cập. Cũng có thêm tính chất vật lý

của bitum và hỗn hợp bitum được xem xét.

Năm 1984, Ban cố vấn kỹ thuật cho các công trình thủy lợi Hà Lan đã công bố

hướng dẫn cho ứng dụng nhựa đường trong kỹ thuật thủy lợi, bởi vì đã có rất nhiều

phát triển mới từ năm 1961. Các nội dung sau đây được đề cập trong hướng dẫn này:

Tính chất vật liệu, vật liệu được sử dụng trong kỹ thuật thủy lợi, thiết kế và tính toán,

xây dựng, quản lý và bảo trì.

Năm 1999, Công ty Shell xuất bản cuốn Cẩm nang kỹ thuật Thủy lợi. Trong cuốn

sách này tiếp tục phát triển trong lĩnh vực sản phẩm bitum áp dụng trong kỹ thuật

thủy lợi.

Năm 2002, Ủy ban Cố vấn kỹ thuật Hà Lan xuất bản một báo cáo kỹ thuật, nhựa

đường cho công trình ngăn nước. Một chủ đề mới quan trọng được đề cập trong báo

cáo này là phần quản lý và bảo trì. Bởi vì hầu hết các dự án sử dụng nhựa đường làm

vật liệu xây dựng đã hoàn thành.

Cũng tại các nước khác, một số báo cáo đã được công bố. Một số ví dụ trong số

này là:

• Tiêu chuẩn Anh 3690 (1989), Phần 1

• DGGT EAAYf 83 (1983), Deutsche Gesselschaft fur Geotechnik, Auflage

1983, ấn bản lần 4, năm 1996 - Đề xuất cho việc thực hiện các công trình nhựa đường

trong kỹ thuật thủy lợi.

• Kerkhoven, R.E. (1975) Những phát triển gần đây về kỹ thuật nhựa đường cho

thủy lợi, các ứng dụng ở Hà Lan.

-14-

Rất nhiều sách báo và các tài liệu khác được xuất bản, trong số các nghiên cứu

đó đã có nhiều nghiên cứu cụ thể trên các mô hình hoặc công trình ứng dụng thực tế.

Tiêu biểu như “Nghiên cứu độ ổn định của mái kè đá bazan chèn vữa asphalt” ở Hà

Lan đã được tiến hành như sau [33]:

Một bài kiểm tra thực địa đã được thực hiện trên một tuyến đê gần Kruiningen,

dọc theo Westerschelde ở Tây Nam Hà Lan để kiểm tra áp lực đẩy nổi của lớp kết

cấu bảo vệ mái, hình 1.4.

Hình 1. 4 - Mô hình thử nghiệm gia tăng áp lực đẩy nổi [33]

Trong bài kiểm tra này người ta đã tạo ra áp lực đẩy nổi lớn hơn trọng lượng của

lớp mái kè và kết quả là mái kè bị đẩy lên. Điều này đã dẫn đến xuất hiện một dòng

chảy giữa lớp phủ và lớp lót (tầng lọc) xuống đến chân kè. Tiếp tục gia tăng áp lực

lớn hơn, nhưng mái kè đã không tiếp tục bị đẩy lên bởi vì một sự cân bằng giữa chiều

cao đẩy nổi và áp lực đẩy nổi, nước sẽ thoát xuống chân kè. Trong quá trình kiểm tra

tĩnh, áp lực đẩy nổi tối đa cao hơn một chút so với trọng lượng của kè và mức độ đẩy

nổi tối đa xấp xỉ 16 mm. Từ đó rút ra kết luận từ bài kiểm tra thực địa này rằng, áp

lực đẩy nổi có thể lớn hơn trọng lượng riêng của kè, nhưng điều này không có nghĩa

là lớp kết cấu mái kè sẽ bị phá hỏng. Nếu chân kè đảm bảo ngăn ngừa hiện tượng

trượt của mái kè (thường là trường hợp ở Hà Lan), mái kè sẽ chỉ được đẩy lên khoảng

1 ÷ 2 cm. Một lớp nước mỏng giữa lớp mái và lớp lót sẽ được hình thành và thoát

dọc theo mái xuống dưới chân kè.

-15-

Để định lượng tác dụng của lực sóng đến sự dịch chuyển của lớp phủ để biết độ

uốn (tính đàn hồi) của kè, một bài kiểm tra thực địa đã được thực hiện, hình 1.5.

Hình 1. 5 - Mô phỏng số của kè trong quá trình thử kéo (Frissen 2002)[33]

Nội dung này được thực hiện bởi một mô hình số của kè với phương pháp phần

tử hữu hạn DIANA (Frissen et al 1997). Mô hình số bao gồm các đặc tính phi tuyến

tính, tuyến tính và tính toán sự biến dạng của lớp mái kè do một áp lực đẩy nối hoặc

lực kéo.

Sự ổn định của lớp bảo vệ mái bằng vữa rót nhựa đường cũng được nghiên cứu

ở mô hình có quy mô lớn của Delft Hydraulics: Deltaflume (Smith và cộng sự 2000).

Nhiều điểm tạo áp lực đã được lắp đặt trong kè để đạt được một cái nhìn sâu sắc,

rõ ràng trong áp lực gia tăng do sóng và do mức độ đẩy nổi mái kè. Trong loạt kiểm

tra, chiều cao sóng và chu kỳ sóng đã tăng dần, bắt đầu từ sóng Hs = 0,76 m và Tp =

3,4 s. Ngay cả ở độ cao sóng Hs = 1,56 m và Tp = 5,3 s vẫn không bị phá hoại.

Từ kết quả kiểm tra thực địa và mô hình thí nghiệm trong phòng, đã dẫn đến

những kết luận sau đây:

• Bề mặt mái kè bằng hỗn hợp asphalt chèn trong đá bazan có thể chịu được các

đợt tác động của sóng lớn trong thời gian ngắn.

• Trong trường hợp chân khay của kè thoát nước tốt, áp lực đẩy nổi tĩnh sẽ chỉ

đẩy nổi kè một vài cm, mà không gây ra thiệt hại nghiêm trọng. Mái dốc kè bị đẩy

nên có lớp nước mỏng giữa lớp phủ mái và lớp lọc, lớp nước chạy dọc theo mái và

thoát ra chân kè. Điều này sẽ dẫn đến sự suy giảm áp lực.

• Chân khay được đặt sâu dường như có khả năng chịu được các đợt sóng lớn,

mặc dù cần tiếp tục điều tra các cơ chế phá hoại khác.

1.3.1.2. Một số công trình đê biển đầu tiên ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt

a- Đê chắn sóng cầu cảng Hook của Hà Lan

-16-

Lớp bảo vệ mái bằng hỗn hợp vật liệu đá asphalt được sử dụng phổ biến, phát

triển phương pháp sử dụng hỗn hợp asphalt thâm nhập vào khối đá thân đê, giải pháp

(D) Cát nhựa.

(A) Lớp đệm (B) Thân đê bằng vật liệu truyền thống (E) 0,60 m đá 10-60 kg thâm nhập cát nhựa (C) Thân đê cát sỏi vữa nhựa

(F) 1,20 m đá 600-1000 kg thâm nhập vữa asphalt.

này hạn chế các vết nứt bề mặt [30], xem hình 1.6.

Hình 1. 6- Mặt cắt điển hình đê chắn sóng [30]

b- Tuyến đê khu vực bến cảng phía bắc Harlingen

Từ những năm 1950. Trong trường hợp mặt cắt đê rộng, phần bên ngoài đê được

xây dựng bằng việc đổ đá sau đó đổ cát hoặc đất vào không gian ở giữa. Trong dự án

Zuyder Zee Project (Đập Enclosing) hai kè này được đổ bằng đá hộc. Vật liệu này có

thể tồn tại một thời gian mà sóng không phá hỏng, nhưng phải có biện pháp bảo vệ

mái chống lại sự phá hoại của sóng và dòng chảy tác dụng vào các khe rỗng của lớp

đá phủ bề mặt, do vật liệu này không có sự gắn kết có thể bị sóng phá hỏng gây thiệt

hại cho công trình. Vì lý do đó mà một nghiên cứu sử dụng vật liệu hỗn hợp của bitum

và cát được đề xuất. Phương án đề xuất được đưa ra đầu tiên như hình 1.7 [21].

Hình 1. 7- Mặt cắt đề xuất sử dụng vật liệu asphalt [21]

Phần chân khay và phần đá đổ hai bên được bảo vệ bằng asphalt cát (3-5% lượng

bitum). Không gian giữa được đổ đầy cát. Sau đó, lớp bảo vệ mái và đỉnh đê được sử

dụng bằng hỗn hợp vữa asphalt cát, lớp chân khay và lớp bảo vệ mái bằng vật liệu

asphalt cát là khá tốn kém. Do đó mặt cắt đề xuất không tiết kiệm hơn phương án xây

-17-

dựng truyền thống. Vì vậy, một mặt cắt mới đã được áp dụng cho việc xây dựng khu

vực Bến cảng phía bắc tại Harlingen, xem hình 1.8.

Hình 1. 8- Mặt cắt đê truyền thống và đê sử dụng vật liệu asphalt [21]

c- Công trình đê biển ở phía Tây Nam Hà Lan

Bazan luôn là loại đá phổ biến để sử dụng làm kè đá ở Hà Lan. Hình dạng của

khối đá có thể xây dựng một mái kè khá trơn phẳng bề mặt. Khối lượng riêng của loại

vật liệu này là rất lớn có thể lên đến 3000 kg/m3. Mặc dù có các đặc tính tốt, mái kè

đã trở nên không ổn định tại một số tuyến đê. Đặc biệt ở Tây Nam Hà Lan, chính vì

nguyên nhân đó mà nó đã mở đường cho ứng dụng vữa asphalt rót lấp đầy vào các

khe rỗng của lớp đá kè để cải thiện sự ổn định của nó. Các khung đá bazan ban đầu

có khoảng 10% đến 15% độ rỗng. Những lỗ rỗng này được đổ đầy vữa asphalt có đặt

các lỗ thông hơi để tạo ra được khối đá kè vững chắc, hình 1.9 [33].

Hình 1. 9- Đê biển phía Tây Nam Hà Lan sử dụng vữa asphalt chèn đá bazan[33]

1.3.1.3. Những kết quả nghiên cứu ứng dụng của vật liệu hỗn hợp asphalt

-18-

Theo số liệu của tổ chức EAPA, sản lượng sử dụng asphalt cho công trình thủy

lợi trên thế giới nói chung và công trình đê biển, bảo vệ bờ biển nói riêng, tính đến

năm 2007 là 1600 triệu tấn, phân bố theo các khu vực như bảng 1.1.

Bảng 1.1- Sản lượng sử dụng asphalt cho các công trình đê biển trên thế giới[10]

Khu vực sử sụng asphalt

Sản lượng ( triệu tấn)

Châu Á

495

Châu Phi

Australia

Châu Âu (kể cả Liên bang Nga)

435

Bắc Mỹ

550

Trung Mỹ

Nam Mỹ

a- Về thiết kế

Các kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng, áp dụng vật liệu hỗn hợp asphalt, mái đê

biển sẽ chịu được chiều cao sóng với chiều dày tương ứng như bảng 1.2.

Bảng 1. 2- Bảng quan hệ giữa chiều cao sóng và chiều dày lớp vật liệu hỗn hợp[31]

Bê tông asphalt (m)

Đá xếp chèn asphalt (m)

Asphalt cát (m)

0,10

0,20

0,40

Chiều cao sóng (m) 2

0,20

0,40

0,80

0,30

0,65

0,40

0,90

b- Về công nghệ xây dựng

Đã sử dụng máy móc xây dựng hiện đại, có những công nghệ mới khác với công

nghệ xây dựng công trình giao thông và dân dụng.

- Mặt bằng thi công: Đê biển có cấu tạo mái nghiêng, do vậy mặt bằng thi công

vật liệu hỗn hợp asphalt trên mái nghiêng rất khác so với thi công trên mặt bằng thông

thường của các công trình giao thông, dân dụng. Để đáp ứng được điều kiện thực tế

thi công công trình đê biển, công nghệ thi công tiên tiến trên thế giới đã chế tạo ra

những thiết bị thi công rải lớp vật liệu asphalt trên mái nghiêng bằng máy móc chuyên

dụng, sau đó được lu đầm bằng máy đầm nhỏ có thể đầm và di chuyển trên mái

nghiêng, xem hình 1.10.

-19-

Hình 1. 10- Thiết bị rải san đầm vật liệu asphalt trên mái nghiêng [28]

- Vật liệu sử dụng: Đối với những kết cấu mái đê biển sử dụng vật liệu hỗn hợp

asphalt chèn trong đá hộc, là một dạng hỗn hợp asphalt với hàm lượng bitum cao (vào

khoảng 14-20% so với tổng khối lượng hỗn hợp), ở nhiệt độ 120oC-170oC hỗn hợp ở

trạng thái nhớt lỏng khi thi công để có thể tự chèn lấp đầy vào các khe rỗng giữa các

viên đá hộc. Do vậy, quá trình vận chuyển vật liệu hỗn hợp từ trạm trộn đến công

trường đòi hỏi hỗn hợp không bị phân tầng và mất nhiệt. Để đảm bảo các điều kiện

đó đã có những thiết bị chuyên dụng được ra đời để đáp ứng được yêu cầu này.

Với những công trường ở quá xa trạm trộn hoặc khối lượng thi công không lớn,

có thể sử dụng các thiết bị trạm trộn di động công suất nhỏ để thi công, hình 1.11.

Hình 1. 11- Thiết bị vận chuyển và trạm trộn di động chuyên dụng [10]

Như vậy có thể thấy vật liệu hỗn hợp asphalt đã được nghiên cứu sử dụng cho

công trình đê biển từ những năm 1950. Có nhiều những nghiên cứu tính toán kiểm

tra trên mô hình và cả trên công trình thực tế khẳng định tính bền vững của loại vật

liệu này. Thực tế cũng cho thấy các công trình đê biển được xây dựng từ những năm

1950 vẫn bền vững cho đến ngày nay.

-20-

Qua quá trình nghiên cứu ứng dụng ban đầu như việc sử dụng hỗn hợp vữa

asphalt thâm nhập vào khối đá thân đê, vật liệu hỗn hợp bitum và cát phủ bề mặt thân

đê, rồi tiếp đến là sử dụng vữa asphalt rót lấp đầy vào khe rỗng khối đá bazan thân

đê… Cho đến nay, việc sử dụng vật liệu hỗn hợp asphalt đã rất hoàn thiện từ thiết kế

đến thi công xây dựng, quản lý sử dụng…có rất nhiều trang thiết bị máy móc chuyên

dụng và hiện đại được đưa vào sử dụng. Đây cũng chính là cơ sở và lợi thế nhất định

để khẳng định việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt trong xây dựng đê

biển ở Việt Nam.

1.3.2. Ở Việt Nam

Ở nước ta, vật liệu hỗn hợp asphalt mới chủ yếu sử dụng dưới dạng bê tông

asphalt để làm đường giao thông, bảo vệ mái đê kết hợp giao thông, trong lĩnh vực

giao thông, công nghệ bê tông asphalt của chúng ta đã đạt trình độ của các nước tiên

tiến trên thế giới, năng lực thiết bị, nhân lực của các nhà thầu đáp ứng yêu cầu thi

công cơ giới cao. Các công trình xây dựng và đặc biệt trong xây dựng các công trình

thủy lợi thì hầu như loại vật liệu asphalt chưa được sử dụng mà mới chỉ dừng lại ở

bước nghiên cứu. Viện khoa học thủy lợi Việt Nam là đơn vị đã và đang bước đầu

nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu này trong xây dựng các công trình thủy lợi thông

qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp

để gia cố đê biển chịu được nước tràn qua do sóng, triều cường, bão và nước biển

dâng’’ mã số: ĐTĐL.2012-T/06, với mục đích hoàn thiện các công đoạn từ thiết kế

thành phần cấp phối vật liệu, nghiên cứu quy định yêu cầu kỹ thuật đối với các chỉ

tiêu cơ lý của vật liệu hỗn hợp asphalt, quy trình công nghệ tính toán thiết kế, thi

công, quản lý vận hành, bảo dưỡng đến việc đánh giá tác động đến môi trường phù

hợp với điều kiện tự nhiên, trình độ công nghệ của Việt Nam.

- Những kết quả đạt được của đề tài ĐTĐL.2012-T/06 [10]:

Trên cơ sở nghiên cứu phân tích lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm,

đề tài đã tập trung vào nghiên cứu các thuộc tính cơ lý cơ bản của 3 loại vật liệu hỗn

hợp asphalt gồm: bê tông asphalt, vật liệu hỗn hợp asphalt nhiều đá, vật liệu hỗn hợp

asphalt chèn trong đá hộc. Đã xây dựng được quy trình sản xuất vật liệu hỗn hợp

asphalt bảo vệ đê biển đối với 3 dạng vật liệu hỗn hợp trên.

-21-

Trên cơ sở kế thừa kinh nghiệm tính toán, thiết kế của các nước tiên tiến trên thế

giới, đồng thời phân tích đánh giá những điều kiện thực tế tại Việt Nam. Đề tài đã

xây dựng được phương pháp tính toán các dạng kết cấu lớp bảo vệ đê biển bằng vật

liệu asphalt phù hợp với điều kiện nước ta, trong đó đã quy định được phạm vi ứng

dụng của 3 dạng vật liệu hỗn hợp asphalt nêu trên, đề xuất phương pháp tính toán kết

cấu lớp gia cố bảo vệ mái đê biển. Xây dựng được quy trình công nghệ thi công 3

dạng vật liệu hỗn hợp asphalt gồm: bê tông asphalt, vật liệu hỗn hợp asphalt nhiều

đá, vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, phù hợp với điều kiện thực tế Việt

Nam. Xây dựng hoàn chỉnh quy trình kiểm tra chất lượng thi công vật liệu hỗn hợp

asphalt bảo vệ đê biển.

- Những vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu.

Đã có rất nhiều nội dung được đề tài thực hiện, tuy nhiên vì mới là đề tài đầu tiên

nghiên cứu về loại vật liệu mới này do vậy vẫn còn rất nhiều các vấn đề cần được tiếp

tục nghiên cứu hoàn thiện, trong đó có hai nội dung chính mà tác giả muốn tiếp tục

đi sâu vào nghiên cứu hoàn thiện trong khuôn khổ luận án của mình mà đề tài chưa

đề cấp tới:

+ Tính toán chiều sâu thâm nhập và độ nhớt của hỗn hợp asphalt theo các tài liệu

trên thế giới và ở Việt Nam đang sử dụng đều lấy theo kết quả thí nghiệm bằng việc

thử nghiệm nhiều lần và theo kinh nghiệm. Để có được kết quả chính xác phù hợp

với nguồn vật liệu sử dụng, điều kiện nhiệt độ và khí hậu của Việt Nam, tác giả sẽ

xây dựng công thức thực nghiệm quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp

asphalt với kích thước đá hộc và độ nhớt của hỗn hợp asphalt. Nhờ đó xác định được

độ nhớt của hỗn hợp asphalt phục vụ tính toán cấp phối.

+ Tính toán thiết kế kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt

chèn trong đá hộc, theo [31] chiều dày của lớp gia cố được tính bằng phương pháp

tra biểu đồ lập sẵn hoặc công thức giải tích. Ở Việt Nam [10] đã sử dụng phương

pháp tra biểu đồ lập sẵn, việc ứng dụng kết quả này vào tính toán rất thuận lợi, tuy

nhiên kết quả có độ chính xác không cao. Để hoàn thiện tiếp phương pháp tính toán

này, tác giả sẽ nghiên cứu phương pháp tính toán, thí nghiệm xác định mô đun đàn

hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển phù hợp với điều kiện làm việc của Việt Nam làm

-22-

cơ sở cho việc tính toán chiều dày lớp kết cấu bảo vệ mái đê biển theo công thức giải

tích (1.8).

1.4. Các nghiên cứu về chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt và mô đun đàn

hồi của kết cấu mái đê biển

1.4.1. Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc

Hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc bao gồm các thành phần như: cốt liệu chính

(cát, đá), bột đá, phụ gia (nếu có), chất kết dính (bi tum). Loại hỗn hợp này sử dụng

hàm lượng bitum cao (khoảng 14-20% so với tổng khối lượng hỗn hợp), ở nhiệt độ

1200C ÷ 1700C, trạng thái nhớt lỏng khi thi công có thể tự chèn đầy vào khe rỗng

giữa các viên đá hộc (không cần đầm). Do vậy, chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp

asphalt vào khe rỗng của các viên đá hộc là một yếu tố quan trọng quyết định đến độ

đặc chắc, khả năng chịu tải của lớp kết cấu bảo vệ mái đê biển. Việc hỗn hợp asphalt

có thâm nhập được vào khe rỗng các viên đá hộc hay không, thâm nhập được sâu hay

nông, lấp đầy các khe rỗng hay không nó phụ thuộc vào các yếu tố ảnh hưởng như

độ nhớt của hỗn hợp asphalt, kích thước viên đá hộc, độ nhám của viên đá, độ nghiêng

của mái đê…Hiện nay, việc xác định chiều sâu thâm nhập theo các tài liệu trong và

ngoài nước đều chưa có, mà chỉ được xác định thông qua viêc thử nghiệm thực tế.

Độ nhớt không chỉ là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến chiều

sâu thâm nhập, mà trong quá trình thiết kế cấp phối hỗn hợp asphalt, việc xác định

độ nhớt yêu cầu cho các trường hợp cụ thể là rất quan trọng, nó quyết định thành phần

cấp phối vật liệu hỗn hợp asphalt, đặc biệt là hàm lượng nhựa và nhiệt độ của hỗn

hợp asphalt trong quá trình thi công để đảm bảo khả năng thâm nhập và lấp đầy khe

rỗng đá hộc.

Thực tế hiện nay, độ nhớt yêu cầu của hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc theo

các tài liệu ở Việt Nam và trên thế giới [10], [31] mới chỉ được xác định dựa theo

kinh nghiệm và thí nghiệm thử dần, với giá trị trong khoảng 30 ÷ 80 Pa.s. Theo [10]

việc xác định độ nhớt yêu cầu thông qua kinh nghiệm và thí nghiệm thử dần. Bước

đầu tiên chọn một độ nhớt ban đầu theo kinh nghiệm, tính toán thành phần cấp phối

theo độ nhớt ban đầu sau đó xây dựng giá thí nghiệm, mô phỏng mái đê thực tế, xếp

đá hộc, rót hỗn hợp asphalt vào mô hình thí nghiệm. Sau đó kiểm tra chiều sâu thâm

-23-

nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc xem có đảm bảo yêu cầu không.

Quá trình thí nghiệm sẽ được thử dần với các giá trị độ nhớt khác nhau để tìm ra

được độ nhớt yêu cầu. Qua đó có thể thấy được việc dựa vào kinh nghiệm thực tế và

thí nghiệm kiểm tra trên mô hình mô phỏng thực tế là vô cùng tốn kém và mất thời

gian, nhất là khi phải tiến hành thí nghiệm thử dần nhiều lần.

Trong [10] cũng đã đề cập và nghiên cứu về tương quan giữa độ nhớt và các yếu

tố ảnh hưởng. Đã sử dụng phương pháp thực nghiệm thí nghiệm trong phòng, tiến

hành thí nghiệm trên 24 cấp phối vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc với các hàm

lượng bitum biến thiên từ 12÷15%; hàm lượng bột đá biến thiên từ 8÷ 21%; hàm

lượng cát biến thiên từ 50÷ 60%; hàm lượng đá dăm biến thiên từ 14÷ 20%. Thí

nghiệm độ nhớt được thực hiện theo phương pháp Kerkhoven (hình 1.12) với mỗi

cấp phối ở 3 điểm nhiệt độ là 120oC; 140oC; 160oC. Cứ 1 lít hỗn hợp asphalt chảy ra

hết được đo một lần, đơn vị đo thời gian là s.

Hình 1. 12- Thiết bị đo độ nhớt Kerkhoven[31]

Độ nhớt có thể được tính toán như sau:

(1.1) 𝜂𝑚 = 43,5.10−5𝜌𝑔𝑡

trong đó: 𝜂𝑚- độ nhớt hỗn hợp (Pa.s);

𝜌 - khối lượng riêng hỗn hợp (kg/m3);

-24-

g - gia tốc trọng trường (m/s2);

t - thời gian 1 lít hỗn hợp chảy hết ra khỏi thiết bị đo Kerkhoven (s).

Kết quả thí nghiệm được trình bày trong bảng 1.3.

Bảng 1. 3- Kết quả thí nghiệm độ nhớt của hỗn hợp asphalt [10]

Tỷ lệ thành phần (% khối lượng)

TT

Ký hiệu cấp phối

Bitum Bột đá

Cát

Đá dăm

Độ nhớt 𝜼𝒎 (Pa.s) 120oC 140oC 160oC

CP 1.1

74,1

62,0

44,4

CP 1.2

70,4

59,3

40,7

CP 1.3

67,6

57,4

38,0

CP 1.4

65,7

55,6

37,0

CP 1.5

63,9

54,6

36,1

CP 1.6

66,7

56,5

37,0

CP 2.1

63,5

46,9

33,1

CP 2.2

59,8

43,2

30,3

CP 2.3

57,9

41,4

28,5

CP 2.4

56,1

40,5

27,6

CP 2.5

55,2

39,5

26,7

CP 2.6

57,0

41,4

29,4

CP 3.1

54,8

CP 3.2

52,1

CP 3.3

50,2

32,0

CP 3.4

49,3

28,3

22,8

CP 3.5

49,3

24,7

21,0

CP 3.6

51,1

26,5

21,0

CP 4.1

47,2

CP 4.2

43,5

CP 4.3

40,8

CP 4.4

39,9

18,1

CP 4.5

39,0

16,3

14,5

CP 4.6

42,6

17,2

14,5

Thông qua kết quả nghiên cứu, có thể thấy được mức độ ảnh hưởng của các yếu

tố đến độ nhớt của hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc.

-25-

- Nhiệt độ: Từ kết quả nghiên cứu ở bảng 1.3. Với CP 1.1 giá trị độ nhớt tương ứng

với nhiệt độ thí nghiệm ToC = 120oC - 140oC - 160oC lần lượt là η = 74,1 - 62,0 -

44,4 Pa.s; Kết quả thí nghiệm CP 2.6 giá trị độ nhớt tương ứng với nhiệt độ thí nghiệm

ToC = 120oC - 140oC - 160oC lần lượt là η = 57,0 - 41,4 - 29,4 Pa.s; Kết quả thí

nghiệm CP 4.5 giá trị độ nhớt tương ứng với nhiệt độ thí nghiệm ToC = 120oC - 140oC

- 160oC lần lượt là η = 39,0 - 16,3 - 14,5 Pa.s. Như vậy, nhiệt độ của hỗn hợp có ảnh

hưởng trực tiếp đến độ nhớt, nhiệt độ của hỗn hợp càng cao thì độ nhớt càng giảm.

- Chất độn mịn: Theo kết quả thí nghiệm bảng 1.3. Với cùng một hàm lượng nhựa

như nhau CP 1.1 ÷ CP 1.5 với cùng một hàm lượng nhựa 12%, hàm lượng bột đá tăng

từ 8 ÷ 16 % thì độ nhớt tương ứng ở nhiệt độ thí nghiệm ToC = 120oC giảm từ 74,1 ÷

63,9 Pa.s; ở nhiệt độ thí nghiệm ToC = 140oC giảm từ 62,0 ÷ 54,6 Pa.s; ở nhiệt độ thí

nghiệm ToC = 160oC giảm từ 44,4 ÷ 36,1 Pa.s. Tuy nhiên khi tăng hàm lượng bột đá

lên 18% thì độ nhớt lại tăng lên không giảm đi nữa. Giá trị độ nhớt của CP 1.6 với

hàm lượng bột đá tăng đến 18% thì giá trị độ nhớt tương ứng với nhiệt độ thí nghiệm

ToC = 120oC - 140oC - 160oC lần lượt là η = 66,7 - 56,5 - 37,0 Pa.s. Như vậy, các giá

trị độ nhớt này lại có xu hướng tăng so với giá trị độ nhớt của CP 1.5 với hàm lượng

bột đá 16%.

Cũng theo quy luật tương tự, đối với kết quả thí nghiệm CP 2.1 ÷ CP 2.6; CP 3.1

÷ CP 3.6 và CP 4.1 ÷ CP 4.6. Với cùng một hàm lượng bitum như nhau, tăng hàm

lượng chất độn mịn có tác dụng làm giảm độ nhớt của vật liệu hỗn hợp, tức là hỗn

hợp có nhiều bột khoáng hơn sẽ dễ chảy hơn, tuy nhiên đến một giá trị nhất định nó

sẽ có tác dụng ngược lại, tăng hàm lượng chất độn mịn dẫn đến độ nhớt cũng tăng

theo.

- Cốt liệu: Theo kết quả thí nghiệm bảng 1.3. Với cùng một hàm lượng nhựa như

nhau CP 1.1 ÷ CP 1.6 hàm lượng cốt liệu (cát) giảm từ 60 ÷ 50% giá trị độ nhớt tương

ứng với nhiệt độ thí nghiệm ToC = 120oC giảm từ 74,1 ÷ 63,9 Pa.s; ToC = 140oC giảm

từ 62,0 ÷ 54,6 Pa.s; ở nhiệt độ thí nghiệm ToC = 160oC giảm từ 44,4 ÷ 36,1 Pa.s.

Tương tự với CP 1.1÷ CP 1.6 so với CP 4.1÷ CP 4.6 hàm lượng cốt liệu (đá dăm)

giảm từ 20 ÷ 14% thí giá trị độ nhớt cũng giảm tương ứng với ToC = 120oC giảm từ

74.1 ÷ 42.6 Pa.s; ToC = 140oC giảm từ 62,0 ÷ 17,2 Pa.s; ở nhiệt độ thí nghiệm ToC =

-26-

160oC giảm từ 44,4 ÷ 14,5 Pa.s. Hàm lượng sử dụng cốt liệu trong hỗn hợp giảm

tương ứng giá trị độ nhớt hỗn hợp cũng giảm.

- Bitum: Theo kết quả thí nghiệm bảng 1.3. CP 1.1 ÷ CP 4.6 sử dụng hàm lượng bi

tum tăng dần từ 12 ÷ 15% giá trị độ nhớt tương ứng với nhiệt độ thí nghiệm ToC =

120oC giảm từ 74,1 ÷ 42,6 Pa.s; ở nhiệt độ thí nghiệm ToC = 140oC giảm từ 62,0 ÷

17,2 Pa.s; ở nhiệt độ thí nghiệm ToC = 160oC giảm từ 44,4 ÷ 14,5 Pa.s. Với việc sử

dụng hàm lượng bi tum trong hỗn hợp càng cao giá trị độ nhớt hỗn hợp càng giảm.

Thông qua kết quả nghiên cứu thí nghiệm [10] đã phân tích được các yếu tố như:

nhiệt độ, bột khoáng, cốt liệu, bitum sử dụng trong hỗn hợp ảnh hưởng như thế nào

đến độ nhớt của hỗn hợp. Từ những quy luật ảnh hưởng của các yếu tố như kết quả

nghiên cứu [10] và phân tích ở trên có thể điều chỉnh nhiệt độ, tỷ lệ sử dụng bột

khoáng, cốt liệu và bitum để có được độ nhớt hỗn hợp asphalt như mong muốn.

Theo [31], hỗn hợp asphalt chèn vào khe rỗng các viên đá hộc có thể là hỗn hợp

của bitum + bột khoáng + cát, cũng có thể thêm sỏi hoặc đá dăm độn thêm vào hỗn

hợp asphalt. Việc sử dụng sỏi hoặc đá dăm phụ thuộc vào kích thước đá hộc sử dụng.

Sỏi hoặc đá dăm có tác dụng giảm khối lượng vữa, ngăn ngừa vữa chảy sệ xuống

chân mái, đôi khi hạn chế chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt.

Thiết kế thành phần cấp phối hỗn hợp asphalt đòi hỏi kinh nghiệm có được thông

qua thực tế, độ nhớt hỗn hợp thấp trong khoảng 30 ÷ 80 Pa.s, sao cho hỗn hợp asphalt

không bị chảy xuống chân mái. Độ nhớt của hỗn hợp asphalt tăng cao sau thi công,

do ảnh hưởng của của nhiệt độ môi trường xung quanh.

Như vậy vấn đề nghiên cứu về chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe

rỗng đá hộc theo các tài liệu trong và ngoài nước còn rất hạn chế, các khuyến cáo đưa

ra đều dựa trên kinh nghiệm thực tế. Chiều sâu thâm nhập phụ thuộc rất nhiều vào độ

nhớt của hỗn hợp asphalt. Các nghiên cứu [10], [31] đã phân tích rất rõ các yếu tố

ảnh hưởng đến độ nhớt của hỗn hợp asphalt do vậy việc thiết kế ra cấp phối hỗn hợp

asphalt đạt được một giá trị độ nhớt mong muốn là có thể làm được. Tuy nhiên, việc

xác định độ nhớt yêu cầu để sao cho hỗn hợp asphalt sau khi rót vào khe rỗng đá hộc

đạt được chiều sâu thâm nhập thiết kế thì chưa được nghiên cứu một cách cụ thể. Vì

vậy, vấn đề đặt ra ở đây là cần có một nghiên cứu về chiều sâu thâm nhập của hỗn

-27-

hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc mà chiều sâu này nó phụ thuộc vào độ nhớt yêu cầu

của hỗn hợp asphalt và kích thước đá hộc sử dụng trong kết cấu bảo vệ mái đê biển.

1.4.2. Mô đun đàn hồi của kết cấu mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn

trong đá hộc

1.4.2.1. Các khái niệm về mô đun đàn hồi

Mô đun độ cứng (stiffness modulus) được tính bằng tỉ số giữa ứng suất và biến

dạng sinh ra khi vật liệu chịu tác dụng của lực theo một mô hình gia tải. Mô đun độ

cứng của hỗn hợp asphalt phụ thuộc vào độ lớn của tải trọng, thời gian gia tải và nhiệt

độ vật liệu. Trong phạm vi thời gian gia tải rất ngắn và nhiệt độ thấp thì mô đun độ

cứng không phụ thuộc vào thời gian và đạt đến giá trị mô đun đàn hồi (S = E).

Mô đun đàn hồi (elastic modulus) là khái niệm gắn với vật liệu thuần tuý đàn hồi.

với vật liệu thuần tuý đàn hồi thì về nguyên tắc, mọi mô hình thí nghiệm đều cho giá

trị mô đun đàn hồi giống nhau. Nhưng với vật liệu có tính chất đàn hồi, nhớt, dẻo như

hỗn hợp asphalt thì khái niệm này không đi kèm với một thí nghiệm nào. Trong thực

tế, bất kỳ thí nghiệm nào với mức độ mô phỏng điều kiện chịu tải trọng nhất định,

xác định được biến dạng đàn hồi và dùng công thức theo lý thuyết đàn hồi để tính ra

mô đun vật liệu, đều được xem là thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi. Mô hình thí

nghiệm nào có mức độ mô phỏng điều kiện làm việc của tải trọng sát thực hơn sẽ cho

giá trị thông số tính toán hợp lý hơn.

Mô đun đàn hồi hồi phục (Resilient Modulus) là khái niệm mô đun đàn hồi trong

trường hợp tải trọng nhỏ so với cường độ vật liệu và được lặp lại với số lượng lớn thì

biến dạng sau mỗi lần tác dụng lặp lại gần như là được hồi phục hoàn toàn và tỉ lệ

với ứng suất tác dụng.

Mô đun phức, động (Complex Dynamic Modulus) là mô đun độ cứng của vật liệu

có tính đàn hồi, dẻo với ứng suất tác dụng động.

1.4.2.2. Các nghiên cứu về mô đun đàn hồi

Vật liệu hỗn hợp asphalt và bitum có những tính chất cơ học tương tự, đều là

những vật liệu có tính đàn hồi và dẻo. Dưới tác động của tải trọng trong thời gian

ngắn và ở nhiệt độ thấp nó làm việc như vật liệu đàn hồi, dưới tác động của tải trọng

trong thời gian dài và ở nhiệt độ cao nó sẽ dẻo dính. Tính chất dẻo và đàn hồi của

-28-

asphalt là một đặc trưng thuận lợi cho việc áp dụng làm lớp gia cố bảo vệ mái đê biển.

Nó không những cứng khi chịu tải trọng sóng trong thời gian ngắn mà chịu uốn dưới

tác dụng của tải trọng trong thời gian dài cũng như quá trình lún không bị nứt gãy.

Vật liệu hỗn hợp asphalt là các vật liệu đàn hồi - dẻo, nghĩa là các thuộc tính cơ

học của chúng phụ thuộc vào nhiệt độ và thời gian đặt tải. Sự phức tạp của vấn đề lại

tăng thêm bởi tính hỗn hợp của thành phần cấp phối, thành phần bitum quan hệ chặt

chẽ với thuộc tính đàn hồi - nhớt trong khi đó khung cốt liệu khoáng ảnh hưởng tới

thuộc tính đàn hồi của vật liệu. Thuộc tính tự nhiên rất đa dạng của các vật liệu thành

phần và các thành phần cấp phối hỗn hợp làm cho việc dự báo các thuộc tính của hỗn

hợp là cực kỳ khó khăn.

Trong khi đó mô đun đàn hồi là một chỉ tiêu cơ lý đặc trưng nhất cho các loại vật

liệu có tính chất đàn hồi, dẻo như vật liệu đất nền, cát, cấp phối đá dăm, vật liệu

asphalt… Nó đánh giá về khả năng chịu lực và độ bền của loại vật liệu này. Do vậy,

giá trị mô đun đàn hồi của mỗi loại vật liệu cần phải được xác định để phục vụ cho

công tác lựa chọn và thiết kế trong quá trình sử dụng.

Đối với những loại vật liệu như: đất, cát, cấp phối, bê tông nhựa… dùng cho các

công trình xây dựng. Các mô hình thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi đều đã được

nghiên cứu và đưa vào tiêu chuẩn. Hầu hết mô đun đàn hồi của các loại vật liệu sử

dụng trong xây dựng đều được thí nghiệm xác định ở hiện trường và trong phòng thí

nghiệm. Thông thường mô hình thí nghiệm ở hiện trường thường để phục vụ cho

công tác kiểm soát, đánh giá chất lượng trong quá trình thi công và sử dụng. Mô hình

thí nghiệm trong phòng thường để phục vụ cho công tác tính toán thiết kế và cũng có

thể kiểm tra chất lượng bằng việc lấy mẫu ở hiện trường mang về phòng thí nghiệm.

Các mô hình thí nghiệm ngoài hiện trường xác định mô đun đàn hồi hiện đang

được sử dụng phổ biến ở trong và ngoài nước như: Mô hình thí nghiệm xác định mô

đun đàn hồi hiện trường bằng tấm ép cứng, mô hình thí nghiệm mô đun đàn hồi hiện

trường bằng cần đo võng Benkelman, mô hình thí nghiệm sử dụng phương pháp đo

tải trọng động… Các mô hình thí nghiệm trong phòng xác định mô đun đàn hồi hiện

đang được sử dụng phổ biến hiện nay như: Thí nghiệm sử dụng tải trọng tĩnh với mô

hình thí nghiệm nén dọc trục mẫu hình trụ, thí nghiệm nén ba trục tải trọng động với

-29-

mẫu hình trụ, thí nghiệm sử dụng tải trọng xung, lặp…

a- Phân tích một số kết quả nghiên cứu về mô đun đàn hồi và các yếu tố ảnh hưởng

của các loại vật liệu khác nhau, làm cơ sở nghiên cứu cho vật liệu hỗn hợp aspaht

Theo [1], trong quá trình xác định các đặc trưng tính toán của vật liệu hỗn hợp

bê tông nhựa và đá nhựa, giá trị mô đun đàn hồi trung bình có thể tham khảo để tính

toán thiết kế như bảng 1.4.

Bảng 1. 4- Đặc trưng tính toán của hỗn hợp đá nhựa [1]

Mô đun đàn hồi E (MPa) ở nhiệt độ

Loại vật liệu

10 - 15oC

30oC

60oC

1800 - 2200

420

300

1. Bê tông nhựa chặt (đá dăm 50%)

1600 - 2000

350

250

2. Bê tông nhựa chặt (đá dăm 35%)

1200 - 1600

280

200

3. Bê tông nhựa chặt (đá dăm 20%)

1200 - 1600

320

250

4. Bê tông nhựa rỗng

225

190

5. Bê tông nhựa cát

800 - 1000

350

6. Đá dăm đen nhựa đặc chêm chèn

400 - 600

280 - 320

7. Thấm nhập nhựa

400 - 500

220 - 250

8. Đá, sỏi trộn nhựa lỏng

Qua giá trị tham khảo ở bảng 1.4 nhận thấy, giá trị mô đun đàn hồi phụ rất nhiều

vào nhiệt độ, ví dụ như bê tông nhựa chặt (đá dăm 50%) ở nhiệt độ 10 ÷ 15oC, mô

đun đàn hồi E = 1800 ÷ 2200 MPa, khi nhiệt độ tăng lên 30oC thì giá trị mô đun đàn

hồi giảm rất nhanh xuống còn E = 420 MPa, và nhiệt độ tăng lên đến 60oC giá trị mô

đun đàn hồi tiếp tục giảm, tuy nhiên không giảm nhiều như trước xuống còn E = 300

MPa. Như vậy ở nhiệt độ càng cao thì giá trị mô đun đàn hồi càng giảm.

Thành phần vật liệu sử dụng cũng ảnh hưởng đến giá trị mô đun đàn hồi của hỗn

hợp. Ví dụ như bê tông nhựa chặt với đá dăm 50% ở cùng nhiệt độ 10 ÷ 15oC giá trị

mô đun đàn hồi E = 1800 ÷ 2200 MPa, với đá dăm giảm xuống 35% giá trị mô đun

đàn hồi giảm xuống E = 1600 ÷ 2000 MPa, với đá dăm giảm xuống 25% giá trị mô

đun đàn hồi giảm xuống E = 1200 ÷ 1600 MPa.

Đối với những loại vật liệu khác theo [1] giá trị mô đun đàn hồi trung bình phục

vụ tính toán có thể tham khảo bảng 1.5.

-30-

Bảng 1. 5 - Đặc trưng tính toán của các loại vật liệu [1]

Loại vật liệu

Mô đun đàn hồi E (MPa)

Đá dăm, sỏi cuội có mặt vỡ gia cố xi măng:

- Cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày  4MPa

600 - 800 400 - 500

- Cường độ chịu nén ở tuổi 28 ngày  2MPa

Đất có thành phần tốt nhất gia cố xi măng hoặc vôi 8 -10% Cát và á cát gia cố xi măng: - Cường độ chịu nén 28 ngày tuổi < 2 MPa

300-400 180 280 350 200-250

- Cường độ chịu nén 28 ngày tuổi  2 MPa - Cường độ chịu nén 28 ngày tuổi >3 MPa Á sét gia cố xi măng hoặc vôi 8 - 10%

- Đá dăm nước - Cấp phối đá dăm loại I - Cấp phối đá dăm loại II

250 - 300 250 - 300 200 - 250

- Cấp phối thiên nhiên

150 - 200

200- 250

Xỉ lò chất lượng đồng đều cấp phối tốt trộn lẫn đất + cát.

Xỉ lò ( không lẫn đất) có hoạt tính hoặc hoạt tính yếu

200-300

Để xác định được giá trị mô đun đàn hồi phải sử dụng các mô hình thí nghiệm

hiện trường hoặc trong phòng. Trang thiết bị và dụng cụ thí nghiệm ở hiện trường

thông thường sẽ lớn hơn và tốn kém hơn trang thiết bị và dụng cụ thí nghiệm trong

phòng. Do vậy, tùy theo yêu cầu và mục đích cụ thể mà lựa chọn mô hình thí nghiệm

ngoài hiện trường hay trong phòng. Có một số nghiên cứu đã xây dựng được công

thức quan hệ thực nghiệm của kết quả thí nghiệm ngoài hiện trường và trong phòng.

b- Một số kết quả nghiên cứu về công thức quan hệ thực nghiệm

Theo [1], các tương quan thực nghiệm giữa mô đun đàn hồi Eo (xác định bằng

mô hình thí nghiệm mô đun đàn hồi ở hiện trường bằng tấm ép cứng) với chỉ số sức

chịu tải CBR (xác định bằng mẫu thí nghiệm trong phòng) của một số loại vật liệu.

+ Một vài quan hệ thực nghiệm ở Trung Quốc [1]

- Của tỉnh An Huy:

(1.2) Eo = 5,76.CBR0,854

Trong đó: Eo (MPa) là trị số mô đun đàn hồi xác định bằng thí nghiệm tấm ép

đường kính 30 cm ở hiện trường. Quan hệ này sử dụng chung cho mọi loại đất.

-31-

- Với loại đất sét đỏ vùng Quảng Tây Trung Quốc:

(1.3) Eo = 15,55.CBR0,582

Trong đó: Eo (MPa) cũng là trị số xác định bằng thí nghiệm tấm ép đường kính

30 cm ở hiện trường.

+ Một số các quan hệ thực nghiệm của Việt Nam [1]

- Các loại đất (với hệ số tương quan R2 =0,91).

(1.4) Eo = 7,93.CBR0,85 (MPa)

- Cát đắp (với hệ số tương quan R2 =0,89).

(1.5) Eo = 4,68. CBR + 12,48 (MPa)

Trong đó: Eo (MPa) là trị số mô đun đàn hồi xác định bằng tấm ép đường kính

33cm ở hiện trường; CBR tính bằng số %.

c- Mô đun đàn hồi của vật liệu hỗn hợp asphalt

Theo [10], [31], có hai loại độ cứng: Độ cứng đàn hồi thể hiện khi vật liệu làm

việc trong điều kiện nhiệt độ thấp, thời gian tác dụng của tải trọng ngắn; độ cứng dẻo

nhớt thể hiện khi vật liệu việc ở nhiệt độ cao, tải trọng tác dụng lâu. Loại thứ nhất

được dùng để tính toán biến dạng giới hạn của kết cấu khi thiết kế bằng phương pháp

giải tích. Loại thứ hai dùng để đánh giá khả năng chống biến dạng của vật liệu. Trong

phạm vi nghiên cứu vật liệu hỗn hợp asphalt làm việc trong điều kiện đàn hồi, mô

đun độ cứng (S) chính là mô đun đàn hồi (E).

- Sự biến dạng vật liệu đàn hồi là tỷ lệ thuận với ứng suất. Mô đun đàn hồi E

thường được áp dụng theo đề nghị của Young. Mô đun này không phụ thuộc với

nhiệt độ và và thời gian tác dụng của tải trọng, xác định theo công thức (1.6).

(1.6) 𝐸 = 𝜎/𝜀

trong đó: E - Mô đun đàn hồi; 𝜎 - ứng suất; 𝜀 - Biến dạng.

- Mô đun độ cứng S là đặc trưng quan trọng đối với vật liệu hỗn hợp asphalt, xác

𝜎

định theo công thức (1.7).

(1.7)

𝑆(𝑡,𝑇) =

𝜀

Nếu giá trị t, T tăng lên thì giá trị S giảm xuống.

Việc đo mô đun độ cứng (bằng thí nghiệm) không mấy dễ dàng. Do vậy, năm

-32-

1977, tập đoàn Shell đã đưa ra toán đồ giới thiệu ở hình 1.13 để dự tính độ cứng của

vật liệu bitum.

Hình 1. 13- Biểu đồ để dự tính mô đun độ cứng của vật liệu hỗn hợp có bitum[17]

Các số liệu yêu cầu là:

Mô đun độ cứng của bitum, Pa;

Thể tích của bitum trong hỗn hợp, %;

Thể tích của cốt liệu khoáng trong hỗn hợp, %.

Trong biểu đồ hình 1.13, mô đun độ cứng của bitum có thể xác định bằng cách

đo trực tiếp, trong trường hợp nếu không thể thực hiện được bằng việc đo trực tiếp ta

có thể dự đoán được chỉ số này bằng cách sử dụng biểu đồ hình 1.14 của Van de Poel

[17].

-33-

Hình 1. 14- Biểu đồ xác định mô đun độ cứng của bitum (Van de Poel)[17]

Phương pháp xác định mô đun độ cứng này có ưu điểm là dễ sử dụng, tuy nhiên

có nhược điểm là việc xác định thông qua tra biểu đồ sẽ có sai số nhất định, các

khoảng giá trị trên biểu đồ lớn do vậy giá trị xác định được có độ chính xác không

cao.

Việc xác định mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn

hợp asphalt chèn trong đá hộc cũng có thể được đo trên mô hình thực tế. Tuy nhiên,

để xây dựng mô hình thí nghiệm thực tế sẽ có kích thước, khối lượng lớn. Việc thí

nghiệm để tìm gia được giá trị mô đun đàn hồi phù hợp phải tiền hành nhiều lần dẫn

đến mất rất nhiều thời gian và chi phí.

1.5. Những vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu

1.5.1. Nghiên cứu chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc

Giá trị chiều sâu thâm nhập tối ưu là chiều sâu vừa đủ lấp đầy hết chiều dày đá

hộc lát mái. Nếu chiều sâu thâm nhập nhỏ hơn chiều dày đá hộc lát mái thì kết cấu

kém đặc chắc, giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ công trình. Ngược lại chiều sâu

thâm nhập lớn hơn chiều dày đá hộc thì hỗn hợp asphalt đòi hỏi phải có độ nhớt thấp

hơn, dẫn đến hiện tượng hỗn hợp sẽ có xu hướng chảy sệ xuống phần chân mái

nghiêng, tạo ra lớp vữa thừa trên bề mặt, tiêu tốn nhiều vật liệu tăng giá thành công

trình. Ngoài ra hỗn hợp có độ nhớt thấp đòi hỏi hàm lượng bitum cao hơn dẫn đến

giá thành xây dựng cũng tăng cao.

Chiều sâu thâm nhập phụ thuộc vào các yếu tố ảnh hưởng như độ nhớt hỗn hợp

asphalt, kính thước đá hộc, độ nhám bề mặt đá hộc… Đối với một loại đá hộc nhất

-34-

định, có thể xem độ nhám bề mặt là hằng số, do vậy để giảm các thí nghiệm, trong

nghiên cứu này tác giả sẽ tập trung nghiên cứu thiết lập quan hệ giữa chiều sâu thâm

nhập của hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc và độ nhớt hỗn hợp asphalt. Quá đó

ngược lại cũng có thể xác định được độ nhớt hỗn hợp asphalt khi biết chiều sâu thâm

nhập và kích thước đá hộc sử dụng, để phục vụ tính toán thiết kế thành phần cấp phối

cũng như kiểm soát chất lượng trong quá trình thi công.

1.5.2. Nghiên cứu mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu

hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

Để thiết kế được lớp gia có bảo vệ mái đê biển nói chung và lớp gia cố bảo vệ

mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc nói riêng, ngoài việc xác

định các tải trong tác động lên kết cấu mái đê biển trong qua trình làm việc do điều

kiện thủy lực, thủy văn thì việc xác định các đặc trưng cơ lý của vật liệu kết cấu bảo

vệ mái đê biển là vô cùng quan trọng và cần thiết, nó quyết định đến kích thước hình

học, khả năng bảo vệ, giá thành, tuổi thọ công trình…

Một trong những chỉ tiêu tính toán thiết kế là việc xác định chiều dày lớp gia cố

mái đê biển, việc xác định chiều dày lớp gia cố bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn

𝑠

hợp asphalt chèn trong đá hộc được tính theo công thức giải tích (1.8) [31]:

. (

)4. (

)

5 ℎ = 0,75. √

1 (1−𝜈2)

𝑐

𝑝 𝜎𝑏

(1.8)

trong đó: h - chiều dày lớp gia cố (m);

𝜎𝑏- ứng suất phá hỏng vật liệu hỗn hợp asphalt (N/m2);

P - áp lực sóng (N/m);

S - mô đun độ cứng (mô đun đàn hồi) của vật liệu hỗn hợp asphalt (N/m2);

𝜈 - hệ số poisson đối với vật liệu hỗn hợp asphalt;

c - mô đun phản lực nền (N/m3);

0,75 - hệ số chiết giảm.

Trong công thức trên Mô đun độ cứng là một chỉ tiêu cơ lý đặc trưng nhất của

vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc cần được xác định (Trong trường hợp

nghiên cứu mô đun độ cứng (S) chính là mô đun đàn hồi (E)).

-35-

Việc xác định mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái bằng vật liệu hỗn hợp

asphalt chèn trong đá hộc, để phục vụ tính toán thiết kế chiều dày kết cấu bảo vệ mái

đê biển theo công thức giải tích đang là vấn đề khó khăn. Hiện nay, theo các tài liệu

nghiên cứu có hai phương pháp xác định giá trị này, một là dựa trên toán đồ hình 1.13

(ở trên), tuy nhiên giá trị tính toán có độ chính xác không cao, hai là phải tiến hành

thí nghiệm trực tiếp tại hiện trường trên một đoạn đê thử nghiệm có kết cấu bằng vật

liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc. Việc này đòi hỏi chi phí xây dựng, thí nghiệm

ngoài hiện trường mất rất nhiều chi phí và thời gian. Vấn đề đặt ra ở đây là cần tìm

ra được phương pháp xác định mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển một

cách đơn giản, đảm bảo độ chính xác nhất định, có thể thực hiện được ở trong phòng

thí nghiệm để giảm thiểu kinh phí và thời gian.

1.6. Kết luận chương 1

Kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc là

một dạng kết cấu mới ở Việt Nam. Ưu điểm so với các vật liệu thường dùng gia cố

trước đây là: Khả năng lấp đầy chỗ trống của hỗn hợp asphalt tốt hơn nhiều so với

vữa cát xi măng và bê tông, khả năng biến dạng và đàn hồi tốt có thể thích ứng mềm

dẻo với sự lún sụt của nền đê và thân đê,…

Việc xác định chiều sâu thâm nhập, độ nhớt của hỗn hợp asphalt hiện đang dựa

vào kinh nghiệm thực tế và thí nghiệm thử dần, do vậy sẽ rất tốn kém và mất thời

gian, nhất là khi phải tiến hành thí nghiệm thử dần nhiều lần. Việc xác định mô đun

đàn hồi để phục tính toán thiết kế chiều dày kết cấu mái đê biển bằng vật liệu hỗn

hợp asphalt chèn trong đá hộc cũng còn nhiều hạn chế, cụ thể là: Xác định bằng

phương pháp tra biểu đồ có kết quả chưa được chính xác, nếu xác định trên mô hình

thực tế thì sẽ mất nhiều thời gian và kinh phí.

Để có thể ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc cho kết cấu bảo

vệ mái đê biển thì cần tiếp tục nghiên cứu bổ sung, hoàn thiện phương pháp xác định

chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc, độ nhớt hỗn hợp

asphalt và mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp

asphalt chèn trong đá hộc phục vụ cho việc thiết kế, thi công kết cấu bảo vệ mái đê

biển trong điều kiện thực tế ở Việt Nam.

-36-

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

Để đạt được các mục tiêu nghiên cứu đã đề ra. Trong chương này sẽ nghiên cứu

cơ sở khoa học, xây dựng phương pháp luận, nghiên cứu làm rõ mối quan hệ giữa các

chỉ tiêu cơ lý của hỗn hợp asphalt và phân tích lựa chọn phương pháp nghiên cứu là

cơ sở cho việc xác định chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt và mô đun đàn hồi

của kết cấu bảo vệ mái đê biển.

2.1. Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc

2.1.1. Những yếu tố ảnh hưởng đến chiều sâu thâm nhập

2.1.1.1. Độ nhớt hỗn hợp aspahlt

Độ nhớt có ảnh hưởng rất lớn đến chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào

khe rỗng của đá hộc. Hỗn hợp asphalt có độ nhớt càng cao khả năng thâm nhập vào

khe rỗng đá hộc càng thấp và ngược lại, nếu độ nhớt hỗn hợp asphalt càng thấp thì

khả năng thâm nhập vào khe rỗng đá hộc càng cao.

Độ nhớt là một trong những chỉ tiêu cơ lý quan trọng nhất của vật liệu hỗn hợp

asphalt chèn trong đá hộc. Có rất nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt của hỗn hợp

asphalt đó là: nhiệt độ của hỗn hợp, tỷ lệ thành phần cấp phối hỗn hợp, các chỉ tiêu

cơ lý của cốt liệu, chất độn mịn, loại bitum sử dụng…

- Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ nhớt của hỗn hợp asphalt

Nhiệt độ của hỗn hợp có ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhớt của nó, nhiệt độ của

hỗn hợp càng cao thì độ nhớt của nó càng giảm.

Khi nhiệt độ tăng cao độ nhớt của hỗn hợp giảm đi, hỗn hợp trở nên linh động,

dễ dàng xâm nhập, lấp đầy vào trong các khe kẽ của đá hộc. Tuy vậy độ nhớt của hỗn

hợp giảm tới một giá trị nào đó, trong thời gian đầu khi hỗn hợp chưa nguội, vật liệu

hỗn hợp sẽ không ổn định, dễ dàng tràn ra ngoài các khe kẽ của đá hộc trên mái

nghiêng của đê, kè. Chính vì vậy trong những trường hợp cụ thể cần phải thí nghiệm

để chọn ra khoảng độ nhớt hợp lý. Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng cao tới một giới hạn

nào đó, hỗn hợp sẽ xảy ra hiện tượng tách lớp (tức là bitum bị tách ra khỏi hỗn hợp

và nổi lên trên bề mặt). Theo [10], đối với bitum 60/70 nhiệt độ thích hợp để thi công

là từ 130 ÷ 1700C.

- Ảnh hưởng của chất độn mịn đến độ nhớt của hỗn hợp asphalt

-37-

Với cùng một hàm lượng nhựa như nhau, tăng hàm lượng chất độn mịn có tác

dụng làm giảm độ nhớt của vật liệu hỗn hợp, tức là hỗn hợp có nhiều bột khoáng hơn

sẽ dễ chảy hơn, tuy nhiên đến một giá trị nhất định nó sẽ có tác dụng ngược lại, tăng

hàm lượng chất độn min dẫn đến độ nhớt cũng tăng theo.

Với hàm lượng chất độn mịn thích hợp, hỗn hợp asphalt vừa đảm bảo độ nhớt

đồng thời không xuất hiện tách lớp. Khi hàm lượng bitum lớn và nhiệt độ hỗn hợp

cao bắt đầu xuất hiện tách nhựa ở những cấp phối có hàm lượng chất độn mịn thấp.

Như vậy, chất độn mịn còn có vai trò ổn định tính công tác của hỗn hợp, giảm tách

lớp, phân tầng.

Hàm lượng chất độn mịn đưa vào vật liệu hỗn hợp phụ thuộc vào thành phần hạt

của cốt liệu (đặc biệt là hàm lượng hạt dưới sàng 0,075mm), bề mặt, hình dạng hạt

cốt liệu, điều kiện thi công (nhiệt độ, độ nhớt yêu cầu, phương pháp thi công).

- Ảnh hưởng của cốt liệu đến độ nhớt của hỗn hợp asphalt

Cốt liệu đóng vai trò hết sức quan trọng trong vật liệu hỗn hợp, nó chiếm một tỷ

lệ lớn, do đó nó có ảnh hưởng rất lớn đến các chỉ tiêu kinh tế, kỹ thuật của vật liệu

hỗn hợp.

Với cùng một hàm lượng bitum và ở một nhiệt độ nhất định, cốt liệu có thành

phần hạt liên tục, hình dạng tròn, bề mặt nhẵn, vật liệu hỗn hợp sẽ có độ nhớt thấp

hơn. Hay ngược lại, ở một nhiệt độ nhất định, với cùng độ nhớt yêu cầu, vật liệu hỗn

hợp sử dụng cốt liệu tốt, hàm lượng bitum sẽ thấp hơn.

Ngoài ra các chỉ tiêu cơ lý khác của cốt liệu như: độ đặc chắc, nguồn gốc cốt liệu

cũng có ảnh hưởng đáng kể đến mức độ hấp thụ bitum, độ nhớt của vật liệu hỗn hợp.

- Ảnh hưởng của bitum đến độ nhớt của hỗn hợp asphalt

Bitum là thành phần quan trọng nhất để tạo lên vật liệu hỗn hợp asphalt chèn

trong đá hộc. Trong vật liệu hỗn hợp, bitum đóng vai trò là chất kết dính để liên kết

các thành phần vật liệu rời (bột đá, cát, đá) lại với nhau. Trong thành phần cấp phối

vật liệu hỗn hợp asphalt, hàm lượng bitum phải đủ lớn để không chỉ lấp đầy các khe

kẽ giữa các hạt rời, mà còn tạo ra trên bề mặt chúng một lớp màng đủ lớn để các hạt

vật liệu rời có thể trượt tương đối với nhau, tạo ra hỗn hợp có độ chảy ở một nhiệt độ

thích hợp. Độ dư của bitum càng lớn thì độ nhớt của vật liệu hỗn hợp càng nhỏ, tuy

-38-

nhiên ở một nhiệt độ nhất định, nếu hàm lượng bitum vượt quá giới hạn cho phép thì

vật liệu hỗn hợp asphalt sẽ xảy ra hiện tượng tách lớp và độ nhớt không giảm nữa.

Hàm lượng bitum tối ưu phụ thuộc vào loại bitum, tỷ lệ thành phần, các chỉ tiêu cơ

lý của vật liệu rời (bột đá, cát, đá) và cần phải thí nghiệm để xác định.

Thông thường trên thị trường Việt Nam hiện nay, loại bitum thường được sử

dụng là loại mác 60/70, ngoài ra có thể sử dụng mác 40/60, 80/100. Các chỉ tiêu cơ

lý như độ kim lún, nhiệt độ hoá mềm, độ nhớt ở nhiệt độ 1350C có ảnh hưởng trực

tiếp đến độ nhớt của của vật liệu hỗn hợp asphalt. Bitum có độ kim lún cao, nhiệt độ

hoá mềm thấp, độ nhớt ở nhiệt độ 1350C thấp thì ở một nhiệt độ nhất định vật liệu

hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc cũng có độ nhớt thấp và ngược lại.

- Ảnh hưởng của thành phần cấp phối đến độ nhớt của hỗn hợp asphalt

Thành phần cấp phối của vật liệu hỗn hợp asphalt là tỷ lệ phần trăm về khối lượng

giữa các vật liệu thành phần (bitum, bột đá, cát). Như trên đã phân tích, các chỉ tiêu

cơ lý của vật liệu cấu thành lên hỗn hợp có ảnh ưởng trực tiếp đến độ nhớt của hỗn

hợp. Ngoài ra, tỷ lệ phối trộn giữa các thành phần này cũng có ảnh hưởng rất lớn đến

độ nhớt của nó. Ở nhiệt độ nhất định, hàm lượng nhựa tăng thì độ nhớt của hỗn hợp

giảm, tuy nhiên hàm lượng nhựa tăng vượt quá giới hạn cho phép sẽ làm cho hỗn hợp

bị tách nhựa, độ nhớt của hỗn hợp không giảm tiếp nữa. Chất độn mịn (bột đá) được

đưa vào vật liệu hỗn hợp với mục đích bổ sung hàm lượng hạt mịn cho cốt liệu, để

tạo ra cốt liệu có thành phần hạt liên tục với tỷ lệ lỗ rỗng nhỏ, tỷ diện bề mặt cốt liệu

hợp lý làm giảm mức tiêu thụ bitum mà vẫn đảm bảo độ nhớt yêu cầu. Tức là, với

một hàm lượng bitum nhất định, khi tỷ lệ thành phần cấp phối các hạt rời tối ưu, vật

liệu hỗn hợp sẽ có độ nhớt tối ưu.

2.1.1.2. Kích thước đá hộc

Kích thước đá hộc là đại lượng đặc trưng loại đá hộc sử dụng cho kết cấu bảo vệ

mái đê biển, việc lựa chọn sử dụng loại đá hộc có kích thước bao nhiêu phụ thuộc

vào chiều dày thiết kế lớp kết cấu bảo vệ mái. Với viên đá hộc có kích thước càng

lớn thì khe rỗng hình thành giữa các viên đá càng lớn, do vậy khả năng thâm nhập

của hỗn hợp asphalt vào các khe rỗng này càng lớn và ngược lại. Với kích thước viên

đá hộc sử dụng càng nhỏ thì chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng

-39-

đá hộc càng thấp.

2.1.1.3. Độ nhám bề mặt viên đá hộc

Khả năng thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng giữa các viên đá hộc, phụ

thuộc vào ma sát giữa hỗn hợp asphalt và bề mặt đá hộc, do độ nhám bề mặt viên đá

hộc gây ra. Đá hộc có bề mặt càng nhám, gây ra cản trở khả năng thâm nhập của hỗn

hợp asphalt càng lớn, dẫn tới khả năng thâm nhập càng kém. Nếu đá hộc có bề mặt

nhẵn độ nhám nhỏ, khả năng thâm nhập hỗn hợp asphalt càng lớn. Độ nhám của đá

hộc phụ thuộc vào nguồn gốc đá, mỗi một loại đá có độ nhám đặc trưng khác nhau.

Ảnh hưởng của độ nhám giảm đi khi kích thước đá hộc tăng lên, tức là kích thước lỗ

rỗng tăng lên. Do vậy, trong trường hợp sử dụng đá hộc kích thước lớn, ảnh hưởng

của độ nhám đến khả năng thâm nhập của hỗn hợp asphalt là không đáng kể.

2.1.1.4. Nhiệt độ môi trường

Nhiệt độ môi trường (nhiệt độ đá hộc) có ảnh hưởng đến nhiệt độ của hỗn hợp

asphalt, nên ít nhiều cũng có ảnh hưởng đến khả năng thâm nhập vào khe rỗng giữa

các viên đá hộc. Nhiệt độ thi công của hỗn hợp asphalt thường từ 130 ÷ 1700C [10]

lớn hơn nhiều so với nhiệt độ đá hộc khoảng từ 15 ÷ 350C. Do vậy, thi công vào thời

điểm nhiệt độ môi trường cao thì khả năng ảnh hưởng đến nhiệt độ hỗn hợp asphalt

ít (nhiệt độ hỗn hợp asphalt giảm ít hơn trong quá trình thi công) khả năng thâm nhập

của hỗn hợp asphalt giảm ít hơn. Nếu nhiệt độ môi trường thấp thì khả năng ảnh

hưởng đến nhiệt độ của hỗn hợp asphalt nhiều hơn, dẫn đến khả năng thâm nhập của

hỗn hợp asphalt giảm nhiều hơn. Tuy nhiên, khoảng thời gian hỗn hợp asphalt chảy

vào khe rỗng đá hộc là rất ngắn, khả năng suy giảm nhiệt độ của hỗn hợp asphalt do

ảnh hưởng nhiệt độ môi trường là không đáng kể. Do vậy khả năng thâm nhập của

hỗn hợp asphalt vào khe rỗng giữa các viên đá hộc không bị ảnh hưởng nhiều.

2.1.1.5. Độ nghiêng mái

Kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc cấu

tạo bởi khe rỗng đá hộc đổ tự nhiên. Rót hỗn hợp asphalt thâm nhập và lấp đầy vào

khe rỗng giữa các viên đá hộc. Nếu độ nhớt của hỗn hợp asphalt nhỏ hơn độ nhớt yêu

cầu, tương ứng với khả năng thâm nhập vào khe rỗng của đá hộc lớn hơn chiều dày

lớp kết cấu đá hộc. Trong trường hợp này sau khi hỗn hợp asphalt thâm nhập hết

-40-

chiều dày của khe rỗng đá hộc theo chiều thẳng từ trên xuống, sẽ tiếp tục chảy dọc

theo chiều nghiêng mái đê, tạo thành lớp hỗn hợp asphalt dư thừa phía trên bề mặt.

Khi đó độ nghiêng mái càng lớn thì hỗn hợp asphalt chảy xuống chân mái càng nhiều.

Nếu độ nhớt của hỗn hợp asphalt lớn hơn hoặc bằng độ nhớt yêu cầu, khi đó chiều

sâu thâm nhập nhỏ hơn hoặc bằng chiều dày lớp kết cấu đá hộc, hỗn hợp asphalt có

xu thế chảy theo chiều thẳng đứng từ trên mặt xuống. Khi đó hỗn hợp asphalt thâm

nhập chưa hết hoặc vừa hết chiều dày khe rỗng đá hộc thì dừng lại, nó không thể chảy

dọc theo chiều nghiêng của mái đê nữa. Trong trường hợp này, độ nghiêng mái đê

không ảnh hưởng đến chiều sâu thâm nhập.

2.1.2. Xác định chiều sâu thâm nhập theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm

2.1.2.1. Cơ sở nghiên cứu

Như kết quả phân tích ở trên, các yếu tố ảnh hưởng đến chiều sâu thâm nhập của

hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc lát mái gồm có:

Độ nhớt của hỗn hợp asphalt (đặc trưng cho thành phần vật liệu, chỉ tiêu cơ lý,

nhiệt độ của hỗn hợp).

Độ rỗng của khối đá hộc lát mái (đại lượng đặc trưng độ rỗng là kích thước đá

hộc sử dụng).

Độ nhám (ma sát) bề mặt viên đá hộc: Trong khuôn khổ luận án, tác giả đặt vấn

đề nghiên cứu cho loại đá hộc được sử dụng phổ biến trong xây dựng mái đê biển

khu vực các tỉnh phía Bắc, mà cụ thể ở đây là đá hộc có nguồn gốc là đá vôi khai thác

ở Ninh Bình. Do vậy, yếu số ảnh hưởng này không đề cập tới trong phạm vi nghiên

cứu.

Độ nghiêng mái đê: Như phân tích ở trên, trường hợp nghiên cứu xác định chiều

sâu thâm nhập yêu cầu, độ nghiêng mái không ảnh hưởng nhiều đến chiều sâu thâm

nhập, do vậy không đề cập tới trong phạm vi nghiên cứu.

Nhiệt độ môi trường: Khoảng thời gian hỗn hợp asphalt chảy vào khe rỗng đá

hộc là rất ngắn, khả năng suy giảm nhiệt độ do ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường là

không đáng kể. Trong phạm vi nghiên cứu của luận án bỏ qua yếu tố ảnh hưởng này.

Như vậy, trên cơ sở phân tích lập luận ở trên, tác giả giả thiết rằng, chiều sâu

thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc là một hàm của kích thước viên

-41-

đá hộc (kích thước lỗ rỗng trong đá hộc) và độ nhớt của hỗn hợp asphalt. Để xây dựng

quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc và độ

nhớt hỗn hợp asphalt, tác giả sử dụng phương pháp nghiên cứu thực nghiệm.

Thực nghiệm có thể thực hiện bằng hai cách, cách thứ nhất là khi tổ chức nghiên

cứu thí nghiệm thay đổi lần lượt từng yếu tố một cho tới khi đạt được kết quả mong

muốn. Phương pháp cần thí nghiệm với số lượng lớn, nhất là khi có nhiều nhân tố

thay đổi và gặp khó khăn trong việc giải tích phương trình hồi qui, vì không làm rõ

được các hiệu ứng tương tác giữa các yếu tố đối với thông số tối ưu hóa. Cách thứ

hai là dùng phương pháp toán quy hoạch tối ưu, cho phép thay đổi đồng thời nhiều

yếu tố, xác định được tương tác giữa các yếu tố nhờ đó giảm bớt số thí nghiệm chung.

Hay còn gọi là phương pháp quy hoạch thực nghiệm nhiều yếu tố.

Phương pháp mô hình hóa toán học, là phương pháp hiện đại để tính toán và phân

tích các quá trình kỹ thuật. Là vấn đề chọn công thức thực nghiệm và ước lượng các

tham số của công thức đó. Để ước lượng giá trị thực của các đại lượng quan sát và độ

chính xác của các ước lượng cần phải tiến hành xử lý các số liệu thực nghiệm. Ở đây

dùng phân tích hồi quy.

Quy hoạch thực nghiệm sẽ đưa ra các kịch bản thay đổi đồng thời các yếu tố.

Dựa trên các kịch bản tiến hành thí nghiệm trên mô hình mô phỏng tương tự điều

kiện làm việc thực tế, xác định được chiều sâu thâm nhập theo các kịch bản. Kết quả

nghiên cứu là thành lập được công thức thực nghiệm xác định chiều sâu thâm nhập,

thông qua quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt với kích thước đá

hộc và độ nhớt hỗn hợp asphalt.

2.1.2.2. Phương pháp nghiên cứu

Trong luận án sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm, để xác định quan hệ

giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc và độ nhớt hỗn

hợp asphalt.

Mô hình thực nghiệm đa nhân tố.

Mô hình toán học là quá trình biểu diễn một qui luật nào đó dưới dạng một

phương trình toán học. Phương trình toán học tổng quát nhất là đa thức, vì với mọi

loại hàm số, cuối cùng đều có thể qui về dạng đa thức. Tương ứng với bậc của đa

-42-

thức (phương trình hồi qui - PTHQ) là độ chính xác của mô hình. Bậc càng cao thì

mô hình mô tả càng chính xác qui luật [13].

Hàm mục tiêu có thể biểu diễn dưới dạng tổng quát như công thức (2.1) sau :

(2.1) y =

trong đó :

y - hàm mục tiêu;

xi - nhân tố ảnh hưởng lên hàm mục tiêu;

bi - hệ số hồi qui bậc 1, mô tả ảnh hưởng của nhân tố xi lên hàm mục tiêu;

bij - hệ số hồi qui bậc 1, mô tả ảnh hưởng đồng thời của 2 nhân tố xi và xj…;

bii - hệ số hồi qui bậc 2, mô tả ảnh hưởng bậc 2 của nhân tố xi.

Hệ số hồi qui của PTHQ có trị số tuyệt đối lớn, thì nó ảnh hưởng mạnh và ngược

lại, nếu có trị số tuyệt đối nhỏ, thì ảnh hưởng yếu hoặc là không ảnh hưởng đến hàm

mục tiêu (HMT). Khi tìm được HMT (PTHQ) mô tả đúng thực nghiệm, chúng ta sẽ

tính được giá trị của hàm mục tiêu, nghĩa là tính được kết quả nghiên cứu mà không

cần làm thực nghiệm.

Trong luận văn này sử dụng phương pháp qui hoạch thực nghiệm với phương

trình hồi quy bậc hai, nhằm mục đích xây dựng mô hình toán thống kê, trên cơ sở

đánh giá mức độ ảnh hưởng của các nhân tố đến chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp

asphalt, nhằm đưa ra các quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với độ nhớt hỗn hợp

asphalt và kích thước đá hộc.

Nguyên lý của phương pháp như sau :

Chọn biến và khoảng biến thiên của các biến.

Trong luận án nghiên cứu chọn hai biến : Z1 - kích thước đá hộc (cm).

Z2 - độ nhớt hỗn hợp asphalt (Pa.s).

Yêu cầu của bài toán : Chọn Z1 và Z2 tối ưu.

Hàm số phụ thuộc: Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt (ℓ).

Phương pháp tiến hành xây dựng mô hình được tiến hành theo 5 bước sau :

Bước 1: Mã hóa các yêu tố thí nghiệm (Mã hóa các biến).

Giá trị mã hóa quan hệ với các giá trị thực Z theo công thức (2.2) sau:

-43-

xi = ± 1 ; ± d = (2.2)

Để lập kế hoạch thực nghiệm các biến thực Z1 và Z2 được mã hóa thành các biến

mã X1 và X2 . Giá trị của các biến mã được chọn ở mức thấp (-1) và mức cao (+1),

tại tâm qui hoạch thực nghiệm là (0) và giá trị trên các trục X1 và X2 (+, -) để đảm

bảo tính quay được của qui hoạch bậc hai tâm xoay.

Để tính toán được đơn giản, các đại lượng có thứ nguyên được chuyển sang hệ

trục không có thứ nguyên (hệ mã hóa). Và lúc này các biến mã hóa được tính theo

công thức (3.2):

(2.3)

trong đó n : số biến

Bước 2: Thiết lập ma trận kế hoạch hóa thực nghiệm

Lập ma trận qui hoạch hóa thực nghiệm, tiến hành thí nghiệm theo ma trận, xác

định hàm mục tiêu và các giá trị tương ứng. Trong ma trận thực nghiệm bước nhảy

i được chọn sao cho đủ lớn đối với khoảng biến đổi của mô hình, thường được chọn

lớn hơn 2 lần độ lệch bình phương trung bình của nhân tố i [13].

Một ma trận thí nghiệm phải thỏa mãn 3 điều kiện

+ Tính chuẩn hóa: Tổng bình phương các giá trị trong một cột bằng số thí nghiệm

+ Tính trực giao: Ma trận không có thí nghiệm trùng nhau

i  j ; i, j = 0, 1, …., n

+ Tính đối xứng: Số mức cao và mức thấp trong một cột bằng nhau

; i = 1, 2, ….., n ; i  0

ở đây:

xiu: là yếu tố ảnh hưởng ở hàng thứ u và cột thứ i

N: là tổng số thí nghiệm

U: là một thí nghiệm bất kỳ

-44-

Số thí nghiệm được tính theo công thức (2.4) sau:

(2.4) N = 2n + 2n + N0

trong đó 2n - là số thí nghiệm ở ma trận gốc;

n - là số nhân tố;

2n - là số thí nghiệm ở điểm sao;

N0- số thí nghiệm ở tâm.

Bảng 2. 1- Ma trận thực nghiệm theo mô hình bậc hai (5 thí nghiệm ở tâm)

N

Xo

X1

X2

x1x2

x1

2 y

x2

2

-1

+ 

2

- 

2

+ 

- 

2 2

y10

y11

y12

y13



Bảng 2. 2- Giá trị cánh tay đòn d

Số yếu tố n

1,414

1,628

2,000

2,378

Trong trường hợp này  = 1,414

Bước 3: Tính hệ số hồi qui bậc 2

Các hệ số hồi qui được tính theo các công thức (2.5), (2.6), (2.7), (2.8) sau :

-45-

(2.5) b0 =

(2.6) bi =

(2.7) bij =

(2.8) bii =

trong đó:

4 =

C = ; A =

n - số nhân tố khảo sát;

N - số thực nghiệm của ma trận bậc 2 (N = Ngốc + N* + N0);

Ngốc - số thực nghiệm ở ma trận gốc;

N* - số thực nghiệm điểm sao;

N0 - số thực nghiệm ở tâm;

N0 - số thực nghiệm trên mặt mục tiêu ( N0 = Ngốc + N* ).

Bước 4: Đánh giá tính có nghĩa của các hệ số hồi qui theo bất đẳng thức và công

thức ttính > tbảng (P, f0 = N0 -1) (ở đây ttính là giá trị tính toán chuẩn student)

(2.9)

(2.10)

(2.11)

Đánh giá tính phù hợp của mô hình tìm được :

-46-

Với (2.12)

f0 = N0 -1 : bậc tự do của thí nghiệm lặp ở tâm;

ffh = [N - l - (N0 -1)] : bậc tự do của phương sai phù hợp;

l : hệ số có nghĩa còn lại của phương trình hồi qui.

Bước 5: Từ phương trình hồi qui xác định điểm cực trị của hàm số, đó chính là

điểm tối ưu thực nghiệm.

2.2. Mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển

2.2.1. Những yếu tố ảnh hưởng tới mô đun đàn hồi

Vật liệu hỗn hợp asphalt bao gồm các thành phần: cốt liệu, chất dính kết. Các

tính chất của vật liệu hỗn hợp asphalt phụ thuộc vào tỉ lệ và tính chất của các vật liệu

thành phần, phụ thuộc vào sự phân bố chất kết dính trong hỗn hợp và mức độ dính

kết giữa cốt liệu và bitum. Mỗi thành phần trong vật liệu hỗn hợp asphalt đóng một

vai trò nhất định và có liên quan chặt chẽ đến nhau, trong việc tạo nên một khối liên

kết có đủ các tính chất cần thiết của vật liệu làm lớp mặt kết cấu mái đê biển.

2.2.1.1. Cốt liệu

Cốt liệu bao gồm cốt liệu hạt thô, cốt liệu hạt mịn với chức năng tạo bộ khung

chịu lực cho hỗn hợp.

Dựa trên toán đồ để dự tính mô đun đàn hồi của vật liệu hỗn hợp có bitum hình

1.13 của [17]. Giá trị mô đun đàn hồi của hỗn hợp phụ thuộc vào mô đun độ cứng

của bi tum, thể tích của bi tum trong hỗn hợp và thể tích cốt liệu khoáng trong hỗn

hợp. Mô đun độ cứng của bi tum tăng, mô đun đàn hồi của hỗn hợp cũng tăng. Thể

tích của bi tum trong hỗn hợp tăng, mô đun đàn hồi hỗn hợp giảm. Thể tích của cốt

liệu khoáng trong hỗn hợp tăng, mô đun đàn hồi của hỗn hợp tăng. Như vậy có thể

thấy mô đun đàn hồi của vật liệu hỗn hợp phụ thuộc vào tỷ lệ % của cốt liệu trong

hỗn hợp, không phụ thuộc nhiều vào kích cỡ hạt của cốt liệu.

2.2.1.2. Bi tum và bột khoáng

Bitum là một thành phần cơ bản, đồng thời là thành phần tạo nên tính chất tiêu

biểu của vật liệu hỗn hợp asphalt, đó là tính đàn hồi - nhớt ở nhiệt độ thấp và dẻo -

-47-

chảy ở nhiệt độ cao. Các tính chất của bitum thay đổi hẳn về bản chất khi điều kiện

chịu tải trọng thay đổi làm cho cường độ, độ ổn định của vật liệu hỗn hợp asphalt

cũng thay đổi đáng kể.

Trong vật liệu hỗn hợp asphalt, bitum cùng với bột khoáng tạo nên chất liên kết

asphalt. Bột khoáng không chỉ có chức năng làm đầy các lỗ rỗng trong khung cốt liệu,

mà còn là thành phần làm biến đổi tính chất kết dính thuần tuý của bitum trong

asphalt. Bột khoáng làm màng nhựa trở nên mỏng do đó tăng khả năng dính kết.

Ngoài ra, bột khoáng còn cải thiện tính chất nhạy cảm với nhiệt độ của bitum, do việc

sử dụng bột khoáng làm tăng nhiệt độ hoá mềm của chất dính kết asphalt, mà không

làm thay đổi nhiệt độ nứt gãy của nó.

Mô đun đàn hồi của vật liệu biến đổi rất nhiều tùy thuộc vào hàm lượng bột

khoáng, vào tỉ lệ bitum và bột khoáng. Khi lượng bitum nhiều, bột khoáng ít, các hạt

bột khoáng bọc màng nhựa dày, không tiếp xúc trực tiếp với nhau, mô đun đàn hồi

giảm. Khi bột khoáng tăng lên tỉ lệ bitum/bột khoáng giảm, đến lúc lượng nhựa vừa

đủ để bọc các hạt bột khoáng bằng một màng nhựa mỏng và các hạt tiếp xúc với nhau

có định hướng, mô đun đàn hồi tăng. Nếu tiếp tục tăng bột khoáng lên nữa, bitum sẽ

không đủ để tạo màng bọc khắp các hạt, khi đó cấu trúc vi mô sẽ tăng lỗ rỗng, các

hạt không liên kết được với nhau, mô đun đàn hồi sẽ lại giảm.

2.2.1.3. Nhiệt độ

Do vật liệu hỗn hợp asphalt là loại vật liệu rất nhạy cảm với nhiệt độ, đó là các

đặc trưng của vật liệu, nó sẽ thay đổi đáng kể khi nhiệt độ thay đổi.

Đặc biệt trong thành phần vật liệu hỗn hợp asphalt có bitum, là loại vật liệu thể

hiện đặc tính chịu nhiệt, chúng trở nên mềm hơn ở nhiệt độ cao và cứng hơn ở nhiệt

độ thấp. Vì vậy, mô đun đàn hồi của vật liệu hỗn hợp asphalt sẽ bị giảm đi ở nhiệt độ

cao và lớn hơn ở nhiệt độ thấp.

Ở nhiệt độ cao, vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc trên mái nghiêng còn

mất ổn định do bitum nóng chảy, chất kết dính phía trên bề mặt sẽ chảy xuống phía

dưới, làm cho thành phần vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc thay đổi, dẫn

đến mô đun đàn hồi cũng thay đổi theo.

Nhiệt độ thay đổi quá lớn khiến bitum bị oxy hóa, sau nhiều lần biến đổi từ trạng

-48-

thái dẻo sang cứng rồi lại sang dẻo, làm giảm chất lượng bitum, dẫn đến mô đun đàn

hồi của hỗn hợp cũng bị giảm theo.

2.2.1.4. Tải trọng tác dụng

Mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển chịu ảnh hưởng bởi các đặc tính

của tải trọng như: trị số độ lớn tải, chế độ tải, hình dạng sóng tải, thời gian nghỉ và

tần số tải trọng tác dụng.

Đối với chế độ thí nghiệm khống chế ứng suất, biến dạng trong mẫu sẽ tăng

lên khi số lượng tải trọng lặp tác dụng tăng. Đối với chế độ thí nghiệm khống chế

biến dạng, thì ứng suất sẽ giảm khi số lượng tải trọng lặp tác dụng tăng, trị số lực tác

dụng giảm dần.

Mô đun đàn hồi phụ thuộc vào tần số tải trọng tác dụng: gia tăng tần số sẽ làm

tăng mô đun đàn hồi của vật liệu, và như vậy với mức biến dạng cao hơn thì sẽ gây

ra ứng suất lớn hơn.

Ảnh hưởng của hình dạng tải trọng sóng và tải có chế độ thời gian nghỉ đến mô

đun đàn hồi. Những trường hợp với tải tác dụng có chế độ thời gian nghỉ thì mô đun

đàn hồi tăng lên đáng kể so với dạng tải tác dụng liên tục. Sau thời gian nghỉ, mô đun

đàn hồi được hồi phục đáng kể. Tuy nhiên sau vài khoảng thời gian nghỉ mô đun đàn

hồi suy giảm hẳn, không còn khả năng hồi phục như trước đó. Lý do được giải thích

là vật liệu đã mỏi dần theo quá trình chịu tải trọng lặp.

2.2.2. Xác định mô đun đàn hồi theo phương pháp thực nghiệm

2.2.2.1. Cơ sở nghiên cứu

Trên cơ sở phân tích các yếu tố ảnh hưởng ở trên, mô đun đàn hồi của kết cấu

bảo vệ mái bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc phụ thuộc vào: hàm lượng

cốt liệu (đá), loại bitum, thời gian tác động của tải trọng, nhiệt độ của vật liệu, không

phụ thuộc nhiều vào kích thước cốt liệu (đá) trong hỗn hợp, đây là căn cứ để tác giả

xây dựng mô hình mô phỏng tương tự trong phòng thí nghiệm với các điều kiện như

1) Vật liệu hỗn hợp asphalt mô phỏng trong phòng thí nghiệm tương tự với ngoài

hiện trường về hàm lượng cốt liệu (đá), loại bitum sử dụng, thay thế đá hộc bằng đá

dăm cùng loại kích thước 20x40mm để đảm bảo điều kiện đúc mẫu và thí nghiệm; 2)

-49-

Điều kiện thí nghiệm tương đương về nhiệt độ vật liệu và tốc độ tăng tải trọng.

Cơ sở để xác định mô đun đàn hồi hiện trường là đề xuất mô hình thí nghiệm và

tiến hành chuỗi thí nghiệm mô đun đàn hồi ngoài hiện trường, mô đun đàn hồi trong

phòng. Sử dụng lý thuyết phân tích hồi quy tuyến tính, kiểm định hệ số tương quan

và xây dựng mô hình hồi quy tuyến tính của hai chuỗi số liệu thí nghiệm, tìm ra công

thức tương quan giữa mô đun đàn hồi hiện trường và mô đun đàn hồi trong phòng.

Kết quả nghiên cứu là tìm ra được phương pháp xác định mô đun đàn hồi của kết

cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, để phục vụ

tính toán chiều dày kết cấu bảo vệ mái đê biển.

2.2.2.2. Thí nghiệm trong phòng

a - Các mô hình thí nghiệm

Có nhiều mô hình thí nghiệm trong phòng để xác định mô đun đàn hồi. Mỗi một

mô hình thí nghiệm có mức độ mô phỏng điều kiện chịu tải trọng của vật liệu khác

nhau [15].

Thí nghiệm sử dụng tải trọng tĩnh với mô hình thí nghiệm nén dọc trục mẫu hình

trụ. Thí nghiệm này thực hiện đơn giản và có mức độ mô phỏng điều kiện chịu tải

trọng ở mức chấp nhận được. Đối với vật liệu có tính chất đàn hồi, nhớt, dẻo như vật

liệu hỗn hợp asphalt thì mô hình này thường cho giá trị mô đun đàn hồi thí nghiệm

thấp hơn. Tuy nhiên, thiết bị thí nghiệm theo mô hình này lại rất phổ biến, nó được

trang bị ở hầu hết các phòng thí nghiệm.

Thí nghiệm nén ba trục tải trọng động, với mẫu hình trụ là thí nghiệm có khả

năng mô phỏng tốt nhất điều kiện chịu tải trọng. Trạng thái ứng suất của vật liệu thí

nghiệm được xem là phù hợp với trạng thái ứng suất của vật liệu khi chịu tải trọng

thực tế. Tuy nhiên, thí nghiệm này rất phức tạp về thiết bị và phương pháp thực hiện.

Thí nghiệm sử dụng tải trọng xung, lặp có thể theo các mô hình: nén dọc trục

mẫu hình trụ, kéo trực tiếp mẫu hình trụ, kéo gián tiếp (ép chẻ) mẫu hình trụ, kéo

uốn mẫu dầm, uốn mẫu ngàm. Mỗi một mô hình thí nghiệm có thể mô phỏng một

trạng thái ứng suất tương ứng hoặc là nén, hoặc kéo, uốn hoặc là kéo uốn của vật liệu.

Tuỳ thuộc tần số tác dụng lực của thí nghiệm có thể mô phỏng được tải trọng tác

dụng. Mô hình kéo gián tiếp tải trọng lặp, áp dụng cho mẫu hình trụ là mô hình dễ

-50-

thực hiện, mẫu thí nghiệm dễ chế tạo và có thể thực hiện với mẫu có kích thước thay

đổi, kể cả mẫu khoan hiện trường.

b- Tính toán trên cơ sở các chỉ tiêu vật lý, cơ học của các vật liệu thành phần

Tính toán dựa trên các mối quan hệ thực nghiệm, được thiết lập từ kết quả thí

nghiệm trong phòng về các đặc trưng của vật liệu và của hỗn hợp. Kết quả mô đun

đàn hồi thí nghiệm theo một mô hình nhất định. Có nhiều mối quan hệ thực nghiệm

được thiết lập và được công bố. Ví dụ như phương pháp của hãng Shell dựa trên

nghiên cứu của Van der Poel về quan hệ giữa độ cứng của bitum với nhiệt độ và thời

gian đặt tải, và nghiên cứu của một số tác giả khác, về quan hệ giữa độ cứng của

bitum và độ cứng của vật liệu hỗn hợp asphalt phụ thuộc thành phần theo thể tích của

cốt liệu. Tổng hợp các kết quả này được thể hiện trong một cặp toán đồ xác định,

được in trong nhiều tài liệu cơ bản về bê tông asphalt. Phương pháp Viện Asphalt

tương tự cũng dựa trên kết quả nghiên cứu thực nghiệm về mô đun đàn hồi xác định

bằng thí nghiệm nén ba trục, sau đó được phát triển trên cơ sở kết quả nghiên cứu về

mô đun đàn hồi động. Theo phương pháp này, mô đun đàn hồi của vật liệu hỗn hợp

asphalt phụ thuộc vào rất nhiều các yếu tố: hàm lượng bột khoáng, độ rỗng của hỗn

hợp theo thể tích, độ nhớt của bitum, hàm lượng bitum theo khối lượng hỗn hợp, tần

số tác dụng lực và nhiệt độ. Hạn chế của phương pháp tính toán này là các mối quan

hệ này chỉ áp dụng được trong các phạm vi giới hạn nhất định, của các vật liệu và các

thông số vật liệu xác định nhờ thực nghiệm [1],[15].

c- Lựa chọn mô hình thí nghiệm

Việc xác định mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn

hợp asphalt chèn trong đá hộc trong phòng thí nghiệm, gần đúng với điều kiện làm

việc thực tế nhất của loại vật liệu này, sử dụng cho kết cấu mái đê biển. Tác giả sử

dụng mô hình thí nghiệm nén dọc trục mẫu hình trụ tròn, trong điều kiện cho nở hông

vì:

- Đây là mô hình thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi trong phòng thí nghiệm đã

được đưa vào tiêu chuẩn (Phụ lục C - 22TCN 211-06);

- Mô hình thí nghiệm được dùng phổ biến hầu hết trong các phòng thí nghiệm;

- Thiết bị thí nghiệm có thể tiến hành duy trì nhiệt độ thí nghiệm chính xác trong

-51-

toàn bộ thời gian đo (Thiết bị thí nghiệm là một tủ giữ nhiệt có thể điều chỉnh nhiệt

độ bên trong theo yêu cầu);

- Mẫu thí nghiệm trong điều kiện cho nở hông gần với điều kiện làm việc thực tế;

- Mẫu thí nghiệm được chế tạo từ loại vữa asphalt rót vào hỗn hợp đá không sử

dụng đầm, do vậy giá trị mô đun đàn hồi sẽ nhỏ.

Xác định mô đun đàn hồi của các vật liệu gia cố chất liên kết (bao gồm cả bê tông

nhựa) được thực hiện bằng cách ép các mẫu trụ tròn trong điều kiện cho nở hông tự

do (nén một trục, mẫu không đặt trong khuôn, bản ép bằng đường kính mẫu). Lúc

này, trị số mô đun đàn hồi của vật liệu được tính theo trị số biến dạng đàn hồi L đo

𝑝H

được khi thí nghiệm ép, tương ứng với tải trọng p (MPa) theo công thức (2.13) [1]:

E = (2.13)

, (MPa)

𝐿

trong đó:

𝑝 =

4P 𝜋𝐷2

D - là đường kính mẫu (đường kính bàn ép) và H là chiều cao mẫu;

P - là lực tác dụng lên bàn ép, kN.

Các mẫu phải được chế bị đúng điều kiện mô phỏng tương đương với thực tế thi

công về tỷ lệ các thành phần, về % cốt liệu khoáng, loại bi tum, nhiệt độ, cấp phối

hỗn hợp asphalt.

Mẫu phải được bảo dưỡng ở nhiệt độ trong phòng ít nhất 16 giờ, trước khi thí

nghiệm ép phải giữ ở nhiệt độ tính toán trong 2,5 giờ, để đảm bảo toàn khối đạt đến

nhiệt độ đó (giữ trong tủ nhiệt hoặc ngâm trong nước có nhiệt độ cao hơn nhiệt độ

tính toán vài độ).

Mẫu đem ép với chế độ gia tải 1 lần. Giữ áp lực P trên mẫu cho đến khi biến dạng

lún ổn định, cụ thể được xem là ổn định khi tốc độ biến dạng chỉ còn 0,01mm/phút

(trong 5 phút). Sau đó dỡ tải ra và đợi biến dạng phục hồi cũng đạt được ổn định như

trên thì mới đọc thiên phân kế để xác định trị số biến dạng đàn hồi L.

2.2.2.3. Thí nghiệm ngoài hiện trường

a - Các mô hình thí nghiệm

Mô hình phổ biến áp dụng trong thực tế là tính ngược từ độ võng đo được trên

bề mặt. Với phương pháp này, người ta có thể sử dụng độ võng đo được với tải trọng

-52-

tác dụng là tĩnh (đo bằng cần đo độ võng Benkelman hoặc bằng tấm ép tĩnh), hay tải

trọng động (như thiết bị FWD - Falling Weight Deflectometer).

+ Đo bằng cần đo độ võng Benkelman: Thử nghiệm xác định mô đun đàn hồi

của kết cấu lớp vật liệu asphalt bằng cần đo võng Benkelman, phục vụ cho việc đánh

giá khả năng chịu tải của kết cấu mới xây dựng hoặc đánh giá chất lượng kết cấu đang

khai thác [6].

Hệ thống thiết bị, dụng cụ bao gồm:

- Cần đo võng Benkelman phải có chiều dài từ gối tựa phía trước đến mũi đo ít

nhất là 2,0 m và có tỷ lệ cánh tay đòn cần đo không được nhỏ hơn 2:1.

- Xe đo võng là loại xe có trục sau là trục đơn, bánh đôi với khe hở tối thiểu giữa

hai bánh đôi là 5 cm, lốp xe thí nghiệm tại trục sau phải còn mới. Các thông số của

trục sau xe đo chỉ được sai lệch 5 % so với quy định ở bảng 2.3.

Bảng 2. 3- Các thông số của trục sau xe đo tiêu chuẩn

Tên chỉ tiêu

Tiêu chuẩn quy định

1. Tải trọng trục sau, Q, kN

100

2. Áp lực bánh xe xuống mặt đường, p, MPa

0,6

3. Đường kính tương đương của vệt bánh đôi, D, cm

- Vật chất tải trên xe phải đối xứng, cân bằng, không bị thay đổi vị trí và tải trọng

trục sau không bị thay đổi trong suốt quá trình đo võng mặt đường. Trong suốt quá

trình đo, xe đo võng phải được che bạt để tránh bị nước mưa thấm ướt và rơi vãi vật

liệu.

- Để xác định được tải trọng trục xe, phải tiến hành cân tải trọng trục sau bằng

thiết bị cân xe hoặc dùng kích thủy lực có đồng hồ đo áp lực được tiêu định và thang

chia áp lực không lớn hơn 0,02 MPa, hình 2.1.

Hình 2. 1- Xác định tải trọng trục bánh xe

-53-

+ Đo bằng tấm ép cứng: Thí nghiệm để xác định mô đun đàn hồi của nền đất và các

lớp kết cấu vật liệu asphalt sử dụng tấm ép cứng. Giá trị xác định được phục vụ cho

công tác thiết kế kết cấu, kiểm tra đánh giá mô đun đàn hồi của nền đất và các lớp kết

cấu vật liệu [5].

+ Đo tải trọng động (như thiết bị FWD - Falling Weight Deflectometer)

Thiết bị thí nghiệm FWD là thiết bị đo độ võng động của mặt đường dưới tác

dụng của tải trọng xung tác dụng trong thời gian từ khoảng 0.025 đến 0.035 giây. Hệ

thống thiết bị FWD bao gồm: Rơ mooc FWD; Bộ xử lý hệ thống; Máy tính/Máy in

[15].

Rơ mooc FWD gia tải nhờ một khối nặng rơi tự do, đập vào hệ các gối cao su

tạo một tải trọng va đập đơn nửa hình sin trong khoảng thời gian từ 0.025 đến 0.035

giây, mô phỏng di chuyển của tải trọng bánh xe. Phạm vi tải trọng có thể thay đổi nhờ

điều chỉnh cao độ rơi của vật nặng. Đầu đo tải trọng được gắn tại tâm của tấm truyền

tải xác định chính xác lực tác dụng xuống bề mặt và báo kết quả vào máy tính, dưới

dạng áp lực truyền qua tấm truyền tải xuống bề mặt tính bằng kPa. Các đầu đo độ

võng được gắn vào thanh có thể nâng hạ tự động, dài 2.45 m tại các vị trí mong muốn,

sẽ cho kết quả độ võng mặt đường. Độ võng đo được được ghi lại dưới dạng file số

liệu và biểu đồ trong máy tính nhờ bộ xử lý hệ thống. Bộ xử lý hệ thống điều khiển

hoạt động của thiết bị, ghi nhận và xử lý tín hiệu nhận được nhờ bộ vi xử lý kết nối

với rơ mooc FWD và với máy tính. Ngoài ra, bộ xử lý này còn theo dõi tình trạng

hoạt động của thiết bị FWD để điều khiển thu nhận các số liệu khi tình trạng hoạt

động của thiết bị tốt.

b- Lựa chọn mô hình thí nghiệm

Xác định giá trị mô đun đàn hồi tại hiện trường của kết cấu bảo vệ mái đê biển

bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc (Đã được thi công ứng dụng thực tế

tại đê biển Cồn Tròn - Hải Hậu - Nam Định).

Từ các mô hình thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi tại hiện trường như đã trình

bày ở trên. Căn cứ vào điều kiện thực tế hiện trường, vị trí thí nghiệm có những đặc

điểm sau:

- Kết cấu mái đê biển có cấu tạo các lớp từ trên xuống dưới như sau: 30cm vật

-54-

liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc; lớp vải địa kỹ thuật dạng dệt (chịu được nhiệt

độ đến 2000C); lớp đá dăm dày 15cm; lớp vải địa kỹ thuật không dệt; nền đê đất đầm

chặt K=0,95.

- Vị trí đo thí nghiệm nằm trên mái đê phía biển có độ dốc mái m = 4.

- Toàn bộ mái đê phía biển có hệ thống tường chắn sóng bằng BTCT với chiều

cao phía biển là 0,5m phía đồng là 0,2m. Như vậy, toàn bộ thiết bị máy móc phục vụ

thí nghiệm trên mái đê phía biển phải di chuyển qua bức tường này. Vì vậy việc lựa

chọn xe tải phục vụ thí nghiệm là không khả thi, chỉ có thể thay thế xe tải bằng máy

đào có trọng lượng đủ lớn thay thế xe tải và hệ thống chất tải.

Với những đặc điểm thực tế tại hiện trường, tác giả lựa chọn sử dụng tính ngược

từ độ võng đo được trên bề mặt mái đê bằng tấm ép cứng.

2.2.2.4. Thiết lập tương quan giữa mô đun đàn hồi trong phòng và mô đun đàn hồi

hiện trường bằng phần mềm R

R là một phần mềm sử dụng cho phân tích thống kê và vẽ biểu đồ. R là một phần

mềm hoàn toàn miễn phí. Tuy miễn phí, nhưng chức năng của R không thua kém các

phần mềm thương mại. Tất cả những phương pháp, mô hình mà các phần mềm

thương mại có thể làm đuợc thì R cũng có thể làm được. R có lợi thế là khả năng phân

tích biểu đồ tuyệt vời. Không một phần mềm nào có thể sánh với R về phần biểu đồ.

Một lợi thế khác là R gắn liền với giới học thuật, hầu hết những mô hình thống kê

mới nhất đều được hỗ trợ bởi R [20].

Để phân tích hai chuỗi số liệu thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng và mô đun

đàn hồi hiện trường có sự tương quan hay không. Sử dụng lý thuyết phân tích hồi quy

tuyến tính, kiểm định hệ số tương quan và xây dựng mô hình hồi quy tuyến tính của

hai chuỗi số liệu thí nghiệm. Bằng việc sử dụng phần mềm R như sau:

Từ giá trị của hai chuỗi số liêu thí nghiệm mô đun đàn hồi hiện trường (Eht) và

mô đun đàn hồi trong phòng (Etp). Sử dụng R vẽ biểu đồ tán xạ liên hệ giữa Eht~Etp

Để “đo lường” mối liên hệ này, chúng ta có thể sử dụng hệ số tương quan

(coefficient of correlation).

a - Hệ số tương quan (r): là một chỉ số thống kê đo lường mối liên hệ tương quan

giữa hai biến số, như giữa mô đun đàn hồi hiện trường (Eht) và đun đàn hồi trong

-55-

phòng (Etp). Hệ số tương quan có giá trị từ -1 đến 1. Hệ số tương quan bằng 0 (hay

gần 0) có nghĩa là hai biến số không có liên hệ gì với nhau. Ngược lại nếu hệ số bằng

-1 hay 1 có nghĩa là hai biến số có một mối liên hệ tuyệt đối. Nếu giá trị của hệ số

tương quan là âm (r <0) có nghĩa là khi x tăng cao thì y giảm (và ngược lại, khi x giảm

thì y tăng). Nếu giá trị hệ số tương quan là dương (r > 0) có nghĩa là khi x tăng cao

thì y cũng tăng, và khi x tăng cao thì y cũng giảm theo. Thực ra có nhiều hệ số tương

quan trong thống kê, nhưng ở đây luận án sẽ trình bày 3 hệ số tương quan thông dụng

nhất: hệ số tương quan Pearson r, Spearman ρ, và Kendall τ.

+ Hệ số tương quan Pearson

Cho hai biến số x và y từ n mẫu, hệ số tương quan Pearson được ước tính theo

(2.14)

công thức (2.14).

Trong đó, x̅ và y̅ là giá trị trung bình của biến số x và y. Chúng ta có thể kiểm

định giả thiết hệ số tương quan bằng 0 (tức hai biến x và y không có liên hệ). Phương

pháp kiểm định này thường dựa vào phép biến đổi Fisher mà R đã có sẵn một hàm

cor.test để tiến hành việc tính toán.

+ Hệ số tương quan Spearman ρ

Hệ số tương quan Pearson chỉ hợp lí nếu biến số x và y tuân theo luật phân phối

chuẩn. Nếu x và y không tuân theo luật phân phối chuẩn, chúng ta phải sử dụng một

hệ số tương quan khác tên là Spearman, một phương pháp phân tích phi tham số. Hệ

số này được ước tính bằng cách biến đổi hai biến số x và y thành thứ bậc, và xem độ

tương quan giữa hai dãy số bậc. Do đó, hệ số còn có tên tiếng Anh là Spearman’s

Rank correlation.

+ Hệ số tương quan Kendall τ

Hệ số tương quan Kendall (cũng là một phương pháp phân tích phi tham số) được

ước tính bằng cách tìm các cặp số (x, y) “song hành" với nhau. Một cặp (x, y) song

hành ở đây được định nghĩa là hiệu (độ khác biệt) trên trục hoành có cùng dấu hiệu

(dương hay âm) với hiệu trên trục tung. Nếu hai biến số x và y không có liên hệ với

nhau, thì số cặp song hành bằng hay tương đương với số cặp không song hành. Bởi

-56-

vì có nhiều cặp phải kiểm định, phương pháp tính toán hệ số tương quan Kendall đòi

hỏi thời gian của máy tính khá cao. Tuy nhiên, nếu một dữ liệu dưới 5000 đối tượng

thì một máy vi tính có thể tính toán khá dễ dàng.

b - Mô hình của hồi qui tuyến tính đơn giản

Để tiện việc theo dõi và mô tả mô hình, gọi mô đun đàn hồi trong phòng là xi và

mô đun đàn hồi hiện trường là yi. Mô hình hồi tuyến tính (2.15).

(2.15) yi = α + βxi+ ε

Nói cách khác, phương trình trên giả định rằng, mô đun đàn hồi hiện trường bằng

một hằng số α cộng với một hệ số β liên quan đến mô đun đàn hồi trong phòng, và

một sai số εi. Trong phương trình trên, α là chặn ( tức giá trị lúc xi =0), và β là độ dốc

(slope hay gradient).

Trong thực tế, α và β là hai thông số (hay hệ số hồi qui), và εi là một biến số theo

luật phân phối chuẩn với trung bình 0 và phương sai σ2.

Các thông số α, β và σ2 phải được ước tính từ dữ liệu. Phương pháp để ước tính

các thông số này là phương pháp bình phương nhỏ nhất. Phương pháp bình phương

(2.16)

nhỏ nhất tìm giá trị α, β sao cho (2.16) nhỏ nhất.

Ước số cho α và β đáp ứng điều kiện đó là, công thức (2.17):

(2.17)

Ở đây, 𝑥̅ và y̅ là giá trị trung bình của biến số x và y. Chú ý, viết α̂ và β̂ (với dấu

mũ phía trên) là để biết rằng đây là hai ước số của α và β, chứ không phải α và β

(chúng ta không biết chính xác α và β, nhưng chỉ có thể ước tính mà thôi). Sau khi đã

có ước số α̂ và β̂) , chúng ta có thể ước tính mô đun đàn hồi hiện trường trung bình

cho từng giá trị mô đun đàn hồi trong phòng tương ứng như (2.18).

(2.18) ŷi = α̂ + β̂xi

Tất nhiên, ŷi ở đây chỉ là số trung bình cho xi, và phần còn lại (tức yi - ŷi ) gọi là

phần dư. Và phương sai của phần dư có thể ước tính như (2.19).

-57-

(2.19)

Ở đây, s2 chính là ước số của σ2.

Trong R có thể tính toán các giá trị của α̂ và β̂ , cũng như s2 một cách nhanh gọn.

Phần kết quả chia làm 3 phần:

(a) Phần một mô tả phần dư của mô hình hồi qui.

(b) Phần hai trình bày ước số của của α̂ và β̂ cùng với sai số chuẩn và giá trị của

kiểm định t.

Ngoài ra, phần 3 còn cho chúng ta một thông tin quan trọng, đó là trị số R2 hay

hệ số xác định bội . Tức là bằng tổng bình phương giữa số ước tính và trung bình chia

cho tổng bình phương số quan sát và trung bình. Tất nhiên trị số R2 có giá trị từ 0 đến

100% (hay 1). Giá trị R2 càng cao là một dấu hiệu cho thấy mối liên hệ giữa hai biến

số càng chặt chẽ.

c- Mô hình tiên đoán

Sau khi mô hình tiên đoán đã được kiểm tra và tính hợp lí đã được thiết lập,

chúng ta có thể vẽ đường biểu diễn của mối liên hệ giữa mô đun đàn hồi hiện trường

và mô đun đàn hồi trong phòng.

2.3. Kết luận chương 2

Việc xác định chiều sâu thâm nhập (ℓ) là một hàm phụ thuộc vào độ nhớt hỗn

hợp asphalt (η) và kích thước đá hộc (d). Công thức quan hệ ℓ = f (d,η) được xác định

theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm và thí nghiệm.

Đề xuất mô hình thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng và mô đun đàn hồi

ngoài hiện trường. Làm cơ sở thiết lập công thức tính toán mô đun đàn hồi hiện trường

Eht = f (Etp) bằng việc sử dụng lý thuyết phân tích hồi quy tuyến tính, kiểm định hệ

số tương quan và xây dựng mô hình hồi quy tuyến tính của hai chuỗi số liệu thí

nghiệm.

-58-

CHƯƠNG 3: XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU THÂM NHẬP CỦA HỖN HỢP

ASPHALT VÀO KHE RỖNG ĐÁ HỘC VÀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA KẾT

CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN

Qua kết quả nghiên cứu tổng quan của chương 1, căn cứ trên cơ sở khoa học và

phương pháp nghiên cứu của chương 2. Trong chương này sẽ nghiên cứu thực nghiệm

trong phòng và hiện trường, kết hợp lý thuyết và sử dụng phần mềm để xây dựng

công thức thực nghiệm xác định chiều sâu thâm nhập và mô đun đàn hồi.

3.1. Chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc

Như chương 2 đã nêu, chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá

hộc xác định theo công thức (3.1).

ℓ = f (d, η) (3.1)

trong đó: ℓ - chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt; d - kích thước đá hộc và

η - độ nhớt của hỗn hợp asphalt cần phải xác định.

3.1.1. Mô phỏng toán học

Mô phỏng toán học là việc mã hóa các yếu tố thí nghiệm (mã hóa các biến). Các

biến thực được mã hóa thành các biến mã. Giá trị của các biến mã được chọn ở mức

thấp (-1) và mức cao (+1) tại tâm quy hoạch thực nghiệm là (0), giảm thiểu khối

lượng thí nghiệm.

Để tính toán được đơn giản, các đại lượng có thứ nguyên được chuyển sang hệ

trục không có thứ nguyên (hệ mã hóa).

3.1.1.1. Biến số và hàm mục tiêu

Trong nghiên cứu sử dụng mô hình qui hoạch thực nghiệm với phương trình hồi

quy bậc hai. Yếu tố ảnh hưởng là độ nhớt của hỗn hợp asphalt và kích thước đá hộc

ảnh hưởng đến chiều sâu thâm nhập.

Lựa chọn khoảng biến thiên các yếu tố ảnh hưởng.

Kích thước đá hộc (d): Loại đá hộc sử dụng phổ biến trong kết cấu bảo vệ mái đê

biển ở Việt Nam, có đường kính từ 10 ÷ 30 cm.

Độ nhớt hỗn hợp asphalt (η): Theo các tài liệu tham khảo của các nước trên thế

giới, đã ứng dụng dạng kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn

trong đá hộc, độ nhớt của vữa asphalt có khoảng biến thiên từ 30 ÷ 80 Pa.s.

-59-

Trong luận án chọn hai biến, bảng 3.1: Z1 : Kích thước đá hộc (cm);

Z2 : Độ nhớt hỗn hợp asphalt (Pa.s).

Để xây dựng mô hình toán học, biểu thị ảnh hưởng của độ nhớt hỗn hợp asphalt

(η), kích thước đá hộc (d) đến chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt (ℓ).

Bảng 3. 1- Khoảng biến thiên của các biến

Z1 (cm) 30 10 20 10

Z2 (Pa.s) 80 30 55 25

Tên biến Zmax Zmin Ztb Z

3.1.1.2. Mã hóa và sử dụng phần mềm

Dựng hệ trục tọa độ Oxy với d, η là các biến thực, X1, X2 là các biến mã tương

ứng, trong đó: d: Biểu thị kích thước đá hộc (cm);

η: Biểu thị độ nhớt hỗn hợp asphalt (Pa.s).

Sau khi mã hóa ta có:

X1: Biến mã biểu thị kích thước đá hộc d;

X2: Biến mã biểu thị độ nhớt hỗn hợp asphalt η.

Hàm mục tiêu nghiên cứu là chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng

đá hộc. Mô hình qui hoạch được lựa chọn là mô hình thống kê phi tuyến bậc hai, hai

mức tối ưu toàn phần có dạng như công thức 3.2.

2 + b22x2

(3.2) Y = bo + b1x1 + b2x2 + b12x1x2 + b11x1

Số thí nghiệm N = 2n + 2n

+ No = 22 + 2x2 + 1 = 9. Để

làm tăng tính chính xác của mô

hình thu được, tiến hành thực

nghiệm 5 lần tại tâm kế hoạch

nên tổng số thí nghiêm N = 8 +

5 = 13 thí nghiệm, bậc tự do

của thí nghiệm lặp ở tâm f0 =

m -1 = 5 - 1 = 4. Sơ đồ mã hóa

được mô tả trong hình 3.1. Hình 3. 1- Sơ đồ kế hoạch thực nghiệm

-60-

Ma trận thực nghiệm theo mô hình như bảng 3.2.

Bảng 3. 2- Ma trận kế hoạch hóa thực nghiệm

Biến mã

Biến thực

Xo

x1x2

x1

2 x2

2 N

X1

X2

Z1

Z2

+1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1

+1 +1 -1 -1 -1.414 +1.414 0 0 0 0 0 0 0

+1 -1 +1 -1 0 0 -1.414 +1.414 0 0 0 0 0

10 30 10 30 5 35 20 20 20 20 20 20 20

30 30 80 80 55 55 20 90 55 55 55 55 55

+1 -1 -1 +1 0 0 0 0 0 0 0 0 0

+1 +1 +1 +1 1 1 0 0 0 0 0 0 0

+1 +1 +1 +1 0 0 1 1 0 0 0 0 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

3.1.2. Các yêu cầu mẫu và thiết bị thí nghiệm

3.1.2.1. Yêu cầu chuẩn bị mẫu.

- Kích thước mẫu thí nghiệm:

+ Phương pháp thí nghiệm xác định độ nhớt là phương pháp phi tiêu chuẩn, với

kích thước mẫu thí nghiệm càng lớn thì độ chính xác càng cao. Tuy nhiên, do máy trộn

hỗn hợp asphalt có thùng gia nhiệt chỉ có thể tích đủ cho khuôn mẫu đúc có kích thước

tối đa 600 x 600 x 700 mm.

+ Thông thường chiều dầy lớp kết cấu bảo vệ mái đê biển từ 20 ÷ 30 cm. Do

vậy với chiều cao khuôn 70cm có thể đảm bảo chiều sâu thâm nhập nghiên cứu.

Vì vậy, trong nghiên cứu sử dụng mẫu hình vuông kích thước 600 mm x 600 mm,

chiều cao 700mm.

- Số lượng mẫu thí nghiệm: Ứng với mỗi kịch bản thí nghiệm có các cặp giá trị kích

thước đá hộc và độ nhớt tương ứng cần đúc ít nhất 3 mẫu. Tổng cộng 13 kịch bản x 3

mẫu = 39 mẫu.

- Nhiệt độ trộn và đúc mẫu: Có thể xác định các nhiệt độ này trên biểu đồ biểu

diễn quan hệ giữa độ nhớt và nhiệt độ của loại nhựa đang sử dụng. Thông thường đối

với nhựa 60/70 thì nhiệt độ trộn từ 155oC đến 160oC và nhiệt độ rót hỗn hợp vữa

-61-

asphalt vào đá hộc từ 145oC đến 150oC [10],[31].

3.1.2.2. Yêu cầu về thiết bị

Máy trộn dùng để trộn nhựa với cốt liệu (máy trộn có thiết bị gia nhiệt).

Tủ sấy dùng để làm nóng cốt liệu, nhựa và các dụng cụ khác.

Thiết bị đo độ nhớt và đồng hồ bấm giây để đo độ nhớt.

Nhiệt kế có thể là loại bọc kim loại, nhiệt kế thuỷ tinh hay đồng hồ có bộ cảm

ứng nhiệt bằng kim loại, có thang đo từ 10oC đến 235oC dùng để đo nhiệt độ.

Dụng cụ xúc, chứa nhựa, có thể là ống đong, thùng phuy dùng để đun nóng nhựa.

Các loại cân để cân nhựa, cốt liệu; Thìa trộn loại to hoặc bay trộn loại nhỏ.

Găng tay chịu nhiệt, găng tay cao su.

Tủ sấy vật liệu, máy trộn vữa asphalt có thùng gia nhiệt, cân điện tử và khay chứa vật liệu Hình 3. 2 - Một số trang thiết bị dụng cụ thí nghiệm

Trang thiết bị và dụng cụ thí nghiệm, hình 3.2.

3.1.3. Trình tự thí nghiệm

Mỗi mẫu thí nghiệm sẽ được tiến hành theo trình tự sau:

1.Chuẩn bị khuôn đúc mẫu thí nghiệm dạng hình hộp kích thước

600x600x700mm (vật liệu làm khuôn bằng gỗ).

2. Chuẩn bị vật liệu, máy móc thiết bị phục vụ thí nghiệm.

3. Đổ đá hộc vào khuôn (tiến hành tương tự như công việc thi công mái đê biển).

4. Trộn vật liệu hỗn hợp aspahlt.

5. Kiểm tra nhiệt độ hỗn hợp asphalt (dùng nhiệt kế cắm trực tiếp vào hỗn hợp).

6. Kiểm tra độ nhớt hỗn hợp asphalt

-62-

Độ nhớt được xác định theo phương pháp Kerkhoven, hình dạng và kích thước

thiết bị đo như hình 1.12, công thức tính (1.1).

7. Vật liệu hỗn hợp asphalt sau khi được trộn theo tỷ lệ, đo nhiệt độ, độ nhớt, tiến

hành rót vào khuôn đã được đổ đầy đá hộc.

8. Tiến hành xác định chiều sâu thâm nhập của mẫu ngay sau khi mẫu được làm

nguội đến nhiệt độ trong phòng bằng thước đo và mắt thường. Để chính xác có thể

phá vỡ mẫu đúc để quan sát và đo chiều sâu thâm nhập ở các vị trí giữa mẫu đúc.

3.1.4. Kết quả thí nghiệm

3.1.4.1. Vật liệu sử dụng

Sử dụng vật liệu nghiên cứu của đề tài [10]

+ Cát : Sử dụng cát vàng sông Lô, kết quả thí nghiệm cát xem bảng 3.3.

Bảng 3. 3- Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ lý của cát vàng [10]

Mục thí nghiệm

Kết quả TN

Yêu cầu (TCVN 8819:2011)

1.Thành phần hạt

(ASTM E11)

3/4 1/2 3/8 No.4 No.10 No.16 No.30 No.50 No.100 No.200

19.0 12.5 9.50 4.75 2.36 1.18 0.600 0.300 0.150 0.075

100.0 100.0 99.4 92.0 80.6 66.4 17.1 6.0 1.3 0.7

2. Mô đun độ lớn (TCVN 7572-2:2006)

3.3

≥ 2

3. Độ góc cạnh của cát(%) (TCVN 8860-7:2011)

43.80

> 43

82.7

≥ 80

0.66

≤ 3

4. Đương lượng cát, chỉ số Es(AASHTO 176) (%) 5. Hàm lượng chung bụi bùn sét (TCVN 7572- 8:2006) (%)

6. Hàm lượng sét (TCVN 7572-8:2006) (%)

0.25

≤ 0.5

7. Tạp chất hữu cơ (TCVN 7572-9:2006)

(Nhạt hơn màu chuẩn)

8. Tỷ trọng khối (g/cm3) (AASHTO T85)

2.610

9. Độ hấp phụ nước(%) (AASHTO T85)

0.98

-63-

+ Bột đá : Sử dụng bột đá Phủ lý, kết quả thí nghiệm bột đá xem bảng 3.4.

Bảng 3. 4- Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của bột đá [10]

Chỉ tiêu

Phương pháp thử

Quy định (TCVN 8819:2011)

Kết quả thí nghiệm

1. Thành phần hạt (lượng lọt sàng qua các cỡ sàng mắt vuông), %

- 0,600 mm

100

ASTM E11

- 0,300 mm

95÷100

96.5

- 0,075 mm

70÷100

73.3

2. Độ ẩm, %

≤ 1,0

0.6

TCVN 7572-7: 2006

2.727

TCVN 7572-4: 2006

≤ 4,0

2.6

TCVN 4197-1995

3. Khối lượng riêng (g/cm3) 3. Chỉ số dẻo của bột khoáng nghiền từ đá các bô nát, (*) %

(*) : Xác định giới hạn chảy theo phương pháp Casagrande. Sử dụng phần bột khoáng lọt qua sàng lưới mắt vuông kích cỡ 0,425 mm để thử nghiệm giới hạn chảy, giới hạn dẻo

+ Bitum: Sử dụng bitum Caltex 60/70, kết quả thí nghiệm bitum xem bảng 3.5.

Bảng 3. 5- Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ lý bitum [10]

Kết quả thí nghiệm

STT

Các chỉ tiêu

Mẫu 1 Mẫu 2 Mẫu 3

Tiêu chuẩn (TCVN 8819:2011)

1.033

1.034

1.032

1.033

1-1,05

60-70

1 Khối lượng riêng ở 25oC Độ kim lún ở 25oC - 1/10mm

3 Độ kéo dài ở 25oC

>100

4 Nhiệt độ hoá mềm oC

> 46

5 Nhiệt độ bốc lửa oC

>230

>232

> 75

0.044

0.042

0.043

<0,5

Tỷ lệ kim lún sau đun ở 163OC so với ban đầu Lượng tổn thất sau khi đun ở 163 oC

8 Độ dính bám với đá vôi

Cấp 4 Cấp 4 Cấp 4 Cấp 4

Cấp 3

99.1

99.4

99.2

>99

HL các chất hoà tan trong dung môi C2CL4

-64-

+ Đá hộc: Sử dụng đá hộc Ninh Bình, kết quả thí nghiệm xem bảng 3.6.

Bảng 3. 6- Kết quả thí nghiệm đá hộc[10]

Yêu cầu

Lực phá hoại

Cường độ nén

Trung bình

STT

Ghi chú

( MPa )

( MPa)

( MPa )

Tiết diện mẫu (mm2)

( N )

2465

230000

93.3

2455

231000

94.1

93.13

Cường độ của đá đạt yêu cầu

2445

225000

92.0

STT

Chỉ tiêu thí nghiệm

Đơn vị

Kết quả Yêu cầu Ghi chú

Khối lượng thể tích

kg/m3

2645

2400

Đạt yêu cầu

* Kích thước đá hộc được lấy theo trọng lượng viên đá (coi viên đá dạng hình

cầu), trong quá trình thí nghiệm chọn viên đá có kích thước tương đối đồng đều nhau.

+ Cấp phối hỗn hợp asphalt: Sử dụng cấp phối của đề tài [10] như bảng 3.7.

Bảng 3. 7- Cấp phối hỗn hợp asphalt [10]

Thành phần

Bột đá

Bi tum

Cát

Tỉ lệ % (theo khối lượng)

Với thành phần cấp phối này, ở nhiệt độ T = 152oC, độ nhớt của hỗn hợp asphalt

 = 30 Pa.s.

Trong quá trình thí nghiệm, tiến hành điều chỉnh tỷ lệ sử dụng Bitum trong hỗn

hợp, kết hợp với điều chỉnh nhiệt độ thí nghiệm để tạo ra được hỗn hợp asphalt có độ

nhớt là: 20, 55, 80, 90 Pa.s.

3.1.4.2. Kịch bản và kết quả thí nghiệm

Dựa trên 13 kịch bản thí nghiệm, mỗi kịch bản thí nghiệm tương ứng với một

giá trị về kích thước đá hộc và độ nhớt hỗn hợp asphalt. Tiến hành thí nghiệm xác

định được chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt. Một số hình ảnh trong quá trình

thí nghiệm, hình 3.3.

Các kịch bản thí nghiệm tương ứng với cặp giá trị các biến đầu vào là kích thước

đá hộc (biến Z1) và độ nhớt hỗn hợp asphalt (biến Z2). Tiến hành thí nghiệm theo yêu

cầu và trình tự thí nghiệm đã được trình bầy ở trên, xác định được chiều sâu thâm

nhập của hỗn hợp asphalt (ℓ) tương ứng cho từng kịch bản.

-65-

a. Mẫu thí nghiệm đổ đá hộc, chuẩn bị vật liệu và trộn vật liệu

b. Kiểm tra nhiệt độ và đo độ nhớt

c. Rót hỗn hợp asphalt và xác định chiều sâu thâm nhập

Hình 3. 3- Một số hình ảnh quá trình thí nghiệm chiều sâu thâm nhập

-66-

Kết quả thí nghiệm chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt được trình bày

trong bảng 3.8.

Bảng 3. 8- Kết quả thí nghiệm chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt

Biến mã

Biến thực

Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt (cm)

Xo

N

Z1 10

Z2 30

X1 +1

X2 +1

-1

67,5

-1

15,7

-1

47,7

-1

07,8

69,2

-1

38,9

21,3

26,8

28,5

26,3

27,7

28,4

ℓ 20,6

3.1.4.3. Đánh giá kết quả thí nghiệm

Máy móc, trang thiết bị và dụng cụ thí nghiệm đều là những thiết bị hiện đại,

được kiểm định theo đúng tiêu chuẩn.

Giá trị thí nghiệm phù hợp với quy luật và cơ sở lý thuyết. Kích thước đá hộc

càng lớn, tạo ra khe rỗng giữa các viên đá hộc lớn thì khả năng thâm nhập của hỗn

hợp asphalt càng sâu (cùng η = 30 Pa.s, với d = 10cm → ℓ = 20,6cm, với d = 30cm

→ ℓ = 67,5cm). Với độ nhớt của hỗn hợp asphalt càng nhỏ thì khả năng thâm nhập

càng lớn (cùng d = 20cm, với η = 20 Pa.s → ℓ = 38,9 cm, với η = 55 Pa.s → ℓ = 26,3

- 28,5 cm). Sơ bộ có thể nhận thấy, ảnh hưởng của đường kính đá hộc đến chiều sâu

thâm nhập lớn hơn ảnh hưởng của độ nhớt đến chiều sâu thâm nhập.

3.1.5. Tìm phương trình thực nghiệm

Sử dụng phần mềm Design Expert 11 để giải bài toán quy hoạch thực nghiệm,

với số liệu thí nghiệm bảng 3.8 có được kết quả như bảng 3.9.

-67-

Bảng 3. 9- Mô hình và kết quả phân tích ANOVA với hàm mục tiêu là chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc (ℓ)

Yếu tố

Giá trị F (F-value)

Giá trị p (p-value)

Tổng bình phương

Bậc tự do

Trung bình bình phương

Mô hình

4091,68

818,34

153,97

< 0,0001 Tin cậy

3433,42

646,01

< 0,0001

A-Đường kính đá hộc (d)

B-Độ nhớt (η)

307,40

57,84

0,0001

55,50

10,44

0,0144

A²

282,61

53,17

0,0002

B²

32,87

6,18

0,0418

Giá trị F là 153,97 chứng tỏ mô hình có ý nghĩa. Kiểm định F của mô hình (F- test hay kiểm định Fisher). Giá trị Pvalue < 0,0001 nghĩa là chỉ có nhỏ hơn 0,01% sự thay đổi của giá trị F là phần nhiễu mà mô hình không tính toán được. Kết quả này cho thấy độ tương thích tốt của phương trình hồi quy so với số liệu thực nghiệm, từ đó cho thấy độ tin cậy thống kê cao.

Giá trị P nhỏ hơn 0,0500 chỉ ra các hệ số mô hình là có ý nghĩa. Trong trường hợp này A, B, AB, A², B² là các hệ số mô hình có ý nghĩa.

Thống kê phù hợp

Std. Dev.

2,31 R²

0,9910

Mean

32,80 Adjusted R²

0,9846

C.V. %

7,03 Predicted R²

0,9410

Adeq Precision

37,4123

R² dự đoán là 0,9410 phù hợp với R² đã điều chỉnh là 0,9846; tức là sự khác biệt  0,2. Adeq Precision đo tín hiệu tỷ lệ nhiễu. Một tỷ lệ lớn hơn 4 là phù hợp. Tỷ lệ 37,412 của mô hình cho thấy tín hiệu đầy đủ. Mô hình này có thể được sử dụng tốt.

Các kết quả kiểm định cho thấy sự đúng đắn của mô hình xây dựng được. Từ đó,

biểu thức toán học mô tả mối quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào

khe rỗng đá hộc và các biến d, η theo công thức (3.3).

(3.3) ℓ = 19,37 + 0,342 d - 0,333 η - 0,015 d η + 0,064 d2 + 0,003 η

trong đó: ℓ - chiều sâu thâm nhập (cm);

d- kích thước đá hộc (cm);

η- độ nhớt hỗn hợp asphalt (Pa.s).

Đây cũng chính là công thức quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp

asphalt với kích thước đá hộc và độ nhớt hỗn hợp asphalt.

-68-

Ngoài công thức quan hệ (3.3), các biến còn biểu thị các giá trị tương quan theo

dạng đồ thị. Bề mặt biểu diễn ảnh hưởng của độ nhớt hỗn hợp asphalt và kích thước

đá hộc đến chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc như hình

3.4, hình 3.5, hình 3.6 và hình 3.7.

Hình 3. 4- Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với kích thước đá hộc và độ nhớt, dạng 2D

Hình 3. 5- Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với kích thước đá hộc và độ nhớt, dạng 3D

-69-

Hình 3. 6- Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với kích thước đá hộc ứng với các độ nhớt khác nhau

-70-

Hình 3. 7- Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với độ nhớt hỗn hợp asphalt ứng với các loại kích thước đá hộc khác nhau

Từ kết quả của công thức (3.3) thể hiện quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của

hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc và độ nhớt hỗn hợp asphalt. Để thuận tiện cho

việc sử dụng tính toán sau này, tiến hành lập bảng tra chiều sâu thâm nhập hỗn hợp

asphalt vào khe rỗng đá hộc lát mái đê biển ứng với loại kích thước đá hộc sử dụng

và độ nhớt của hỗn hợp asphalt như bảng 3.10.

-71-

Bảng 3. 10 - Bảng tra chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc

Chiều sâu thâm nhập ℓ (cm)

Độ nhớt η

(Pa.s)

d=10 (cm) d=15 (cm) d=20 (cm) d=25 (cm) d=30 (cm)

17,4

24,9

35,5

49,4

66,4

16,0

23,0

33,3

46,8

63,5

14,7

21,4

31,3

44,4

60,7

13,5

19,9

29,4

42,1

58,1

12,5

18,5

27,7

40,0

55,6

11,7

17,3

26,1

38,1

53,2

11,0

16,2

24,6

36,2

51,1

10,5

15,3

23,3

34,6

49,0

10,1

14,5

22,2

33,1

47,1

9,8

13,9

21,2

31,7

45,4

9,8

13,5

20,4

30,5

43,8

* Ghi chú: d - Kính thước đá hộc

3.2. Mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt

chèn trong đá hộc

Như đã trình bày ở chương 1 và chương 2, mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ

mái đê biển được xác định để phục vụ tính toán chiều dày kết cấu theo công thức

(1.8). Việc xác định sử dụng theo phương pháp thực nghiệm, thí nghiệm hai chuỗi số

liệu trong phòng và hiện trường.

Chuỗi số liệu thí nghiệm mô đun đàn hồi hiện trường được xác định trên mô hình

thực tế thi công của đoạn đê biển Cồn Tròn - Hải Hậu - Nam Định của đề tài [10].

Chuỗi số liệu mô đun đàn hồi trong phòng xác định trên mẫu đúc hình trụ, được mô

phỏng giống với thực tế thi công ở hiện trường. Từ kết quả thí nghiệm xây dựng công

thức thực nghiệm Eht = f (Etp).

3.2.1. Xác định mô đun đàn hồi trong phòng thí nghiệm

3.2.1.1. Chế tạo mẫu thí nghiệm

Mục đích của việc chế tạo mẫu hình trụ trong phòng thí nghiệm để xác định mô

đun đàn hồi, mô phỏng giống với thực tế thi công loại vật liệu hỗn hợp này ở hiện

trường của kết cấu bảo vệ mái đê.

-72-

Để mô phỏng luận án đã thay thế đá hộc bằng đá dăm 2x4 cm, được đổ tự nhiên

vào khuôn đúc, rồi tiến hành rót hỗn hợp asphalt (gồm cát, bột đá, nhựa đường) với

tỷ lệ bằng tỷ lệ sử dụng tại hiện trường vào khuôn. Để hỗn hợp asphalt xâm nhập lấp

đầy vào khe rỗng của đá dăm trong khuôn một cách tự nhiên (không dùng đầm).

Tất cả các công đoạn chuẩn bị khuôn đúc, cốt liệu, sấy cốt liệu, trộn … được tiến

hành như chế tạo mẫu trụ theo phương pháp marshall. Chuẩn bị mẫu từ các vật liệu

thành phần, tổ mẫu bao gồm tối thiểu 3 mẫu ứng với một loại cấp phối cốt liệu và

một hàm lượng nhựa xác định.

- Chuẩn bị cốt liệu: Sấy khô cốt liệu cát, đá, bột khoáng ở nhiệt độ 105oC đến

khối lượng không đổi. Cân cốt liệu và cân bột khoáng cho từng mẻ trộn, mỗi mẻ đựng

trong các khay riêng.

- Trộn mẫu: Trộn đều hỗn hợp cốt liệu, bột khoáng và gia nhiệt trong tủ sấy tới

nhiệt độ quy định. Cân nhựa đường vào các hộp đựng riêng đủ dùng cho từng mẻ

trộn, gia nhiệt cho nhựa đường tới nhiệt độ trộn quy định. Trút cốt liệu đã nung nóng

vào chảo trộn, dùng bay tạo hố trũng giữa khối cốt liệu và trút lượng nhựa đường

nóng vào hố trũng, nhanh chóng trộn đều đến khi nhựa đường bao phủ hoàn toàn cốt

liệu. Sử dụng thiết bị gia nhiệt để duy trì nhiệt độ trộn của hỗn hợp.

Mẻ trộn đầu tiên được dùng để tráng các dụng cụ trộn. Vật liệu dính ở chảo trộn,

bay trộn được gạt bỏ bằng thanh gạt hoặc bằng môi, thìa. Không dùng giẻ để chùi

hoặc dung dịch rửa để làm sạch dụng cụ trộn, trừ khi thay đổi loại nhựa hoặc kết thúc

quá trình đúc mẫu.

- Đúc mẫu: Sử dụng khuôn đúc mẫu hình trụ tròn có đường kính D = 101,6 mm.

Lau chùi sạch bề mặt khuôn đúc mẫu. Gia nhiệt trong tủ sấy cho bộ khuôn đúc

mẫu tới nhiệt độ 105oC  5oC. Đặt một miếng giấy lọc hình tròn đường kính 100 mm

vào trong lòng khuôn đúc phía trên đáy khuôn, lắp khuôn dẫn và rót vữa vào khuôn

đã được đổ đá dăm 2x4.

Dùng bay gạt phẳng mặt mẫu, để mẫu nguội đến nhiệt độ trong phòng, dùng dụng

cụ tháo mẫu để đẩy mẫu ra khỏi khuôn. Đặt mẫu trên bề mặt phẳng, chắc chắn ở điều

kiện nhiệt độ trong phòng ít nhất là 12h trước khi thử nghiệm. Quá trình đúc mẫu

xem hình 3.8.

-73-

a. Tủ xấy vật liệu b. Chuận bị đá dăm

c. Cân đong cát d. Trộn bột đá

e. Trộn hỗn hợp f. Mẫu đúc trong khuôn

g. Mẫu đúc sau khi tháo khuôn h. Mẫu đúc sau khi gia công

Hình 3. 8- Một số hình ảnh trong quá trình đúc mẫu thí nghiệm trong phòng

-74-

3.2.1.2. Kết quả thí nghiệm

a- Vật liệu sử dụng

Với mục tiêu đi tìm quan hệ tương quan giữa mô đun đàn hồi trong phòng và mô

đun đàn hồi hiện trường. Để chế tạo được mẫu đúc trong phòng phù hợp với thực tế

tại hiện trường. Trong nghiên cứu sử dụng vật liệu và thành cấp phối của đoạn đê đã

được thi công thử nghiệm của đề tài [10] tại đê biển Cồn Tròn - Hải Hậu - Nam Định).

Cát vàng sông Lô có các chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm như bảng 3.3.

Bột đá Phủ Lý có các chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm như bảng 3.4.

Bitum Caltex 60/70 có các chỉ tiêu cơ lý thí nghiệm như bảng 3.5.

Cấp phối hỗn hợp asphalt bảng 3.6.

b- Khối lượng mẫu và quá trình thí nghiệm

Mô đun đàn hồi trong phòng được thí nghiệm tại các giá trị nhiệt độ là: 15oC,

20oC, 25oC, 35oC. Ứng với mỗi giá trị nhiệt độ thí nghiệm, tiến hành đúc 12 tổ mẫu

(mỗi tổ mẫu 03 viên). Tổng cộng 5 giá trị nhiệt độ x 12 tổ mẫu = 60 tổ mẫu.

Mẫu đúc hình trụ sau khi tháo khuôn đúc, được gia công mẫu theo tiêu chuẩn và

dưỡng hộ trong tủ sấy đưa mẫu về nhiệt độ yêu cầu. Mẫu được tiến hành thí nghiệm

đo mô đun đàn hồi, thiết bị đo mô đun đàn hồi có tủ giữ nhiệt độ chuẩn theo yêu cầu

trong cả quá trình đo. Một số hình ảnh của quá trình thí nghiệm mẫu đúc xem hình

3.9.

c- Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng

Mỗi điểm nhiệt độ thí nghiệm tiến hành đúc mẫu và thí nghiệm với 12 tổ mẫu

(mỗi tổ 03 viên mẫu). Kết quả thí nghiệm được thể hiện ở bảng 3.11.

Với các kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng. Tính được giá trị trung

bình của 12 tổ mẫu thí nghiệm tương ứng với một điểm nhiệt độ thí nghiệm. Tiến

) và mô đun đàn hồi trong

hành vẽ biểu đồ tương quan giữa nhiệt độ thí nghiệm (T0

phòng (Etp). Biểu đồ hình 3.10.

-75-

a. Tủ sấy mẫu và thiết bị thí nghiệm mô đun đàn hồi

b. Quá trình lắp đặt mẫu, điều chỉnh thiết bị và thí nghiệm

c. Đọc số liệu thí nghiệm được kết nối ra máy tính

Hình 3. 9 - Một số hình ảnh quá trình thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng

-76-

Bảng 3. 11- Tổng hợp giá trị thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng

Mô đun đàn hồi trong phòng Etp (MPa)

TT

Tổ mẫu T=15ºC Tổ mẫu T=20ºC Tổ mẫu T=25ºC Tổ mẫu T=30ºC Tổ mẫu T=35ºC

1 M15-01 178,3 M20-01 161,9 M25-01 152,3 M30-01 110,5 M35-01 85,3

2 M15-02 197,4 M20-02 173,8 M25-02 143,4 M30-02 109,6 M35-02 72,6

3 M15-03 182,4 M20-03 150,6 M25-03 128,8 M30-03 121,4 M35-03 87,2

4 M15-04 192,8 M20-04 165,7 M25-04 150,5 M30-04 97,8 M35-04 90,7

5 M15-05 209,6 M20-05 143,3 M25-05 121,6 M30-05 105,2 M35-05 95,6

6 M15-06 175,7 M20-06 158,6 M25-06 146,4 M30-06 113,3 M35-06 82,6

7 M15-07 202,2 M20-07 170,3 M25-07 120,7 M30-07 109,7 M35-07 78,2

8 M15-08 185,6 M20-08 151,5 M25-08 156,3 M30-08 126,7 M35-08 86,8

9 M15-09 205,5 M20-09 148,9 M25-09 132,6 M30-09 98,5 M35-09 83,2

10 M15-10 176,8 M20-10 182,0 M25-10 147,8 M30-10 115,3 M35-10 75,2

11 M15-11 165,7 M20-11 155,7 M25-11 136,3 M30-11 127,5 M35-11 88,7

12 M15-12 199,2 M20-12 162,3 M25-12 137,6 M30-12 103,6 M35-12 78,1

Ētp

189,3

Ētp

160,4

Ētp

139,5

Ētp

111,6

Ētp

83,7

Ghi chú: Số liệu thí nghiệm tổng hợp ở bảng trên đã được loại trừ những mẫu có giá trị không phù hợp

BIỂU ĐỒ TƯƠNG QUAN GIỮA T VÀ Etp

210

200

190

y = 357.03e-0.04x R² = 0.9786

) a P M

(

180

170

160

150

140

130

120

p t E g n ò h p g n o r t i ồ h

110

n à đ

100

n u đ

ô M

Nhiệt độ T ( độ C)

Hình 3. 10 - Biểu đồ tương quan giữa nhiệt độ thí nghiệm và mô đun đàn hồi trong phòng

-77-

d - Đánh giá kết quả thí nghiệm

Máy móc, trang thiết bị và dụng cụ thí nghiệm được kiểm định theo đúng tiêu

chuẩn.

Quá trình chế tạo mẫu và thí nghiệm mẫu được tiến hành theo đúng tiêu chuẩn

hiện hành.

Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng có giá trị trung bình từ 83,7 ÷

189,3 MPa, tương ứng với nhiệt độ thí nghiệm từ 35 ÷ 150C. Tương quan giữa nhiệt

độ thí nghiệm và mô đun đàn hồi trong phòng phù hợp với quy luật, nhiệt độ càng

cao thì mô đun đàn hồi càng giảm. Giá trị mô đun đàn hồi thí nghiệm nhỏ hơn so với

giá trị mô đun đàn hồi của bê tông nhựa làm đường giao thông (thường biến đổi từ

225 ÷ 1800 MPa, tương ứng nhiệt độ thí nghiệm từ 30 ÷ 150C với loại bê tông nhựa

rỗng đến bê tông nhựa chặt [7]). Giá trị mô đun đàn hồi nhỏ hơn là phù hợp, vì hỗn

hợp asphalt chèn trong đá hộc sử dụng nhiều bi tum hơn, khoảng từ 14 ÷ 20%[31] so

với bê tông nhựa, khoảng từ 5 ÷ 7% [16].

3.2.2. Xác định mô đun đàn hồi ngoài hiện trường

3.2.2.1. Địa điểm nghiên cứu

Chuỗi số liệu thí nghiệm mô đun đàn hồi hiện trường được xác định trên mô hình

thực tế đã thi công, có sử dụng kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp

asphalt chèn trong đá hộc.

Do vậy, địa điểm thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi hiện trường được lựa chọn

tại mô hình thi công thử nghiệm đoạn đê biển Cồn Tròn - Hải Hậu - Nam Định của

đề tài [10]. Có kết cấu bảo vệ mái bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc,

chiều dầy lớp đá hộc 30cm, đá hộc có kích thước d = 20cm.

3.2.2.2. Nguyên tắc thí nghiệm

Đặt tấm ép cứng trên bề mặt đã được làm phẳng, gia tải lên tấm ép bằng kích

thủy lực và hệ thống chất tải. Ứng với các cấp lực, đo xác định độ võng đàn hồi dưới

tấm ép. Trên cơ sở số liệu đo, vẽ biểu đồ quan hệ giữa áp lực và độ võng đàn hồi, xác

định mô đun đàn hồi chung của kết cấu dưới tấm ép.

3.2.2.3. Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm

-78-

- Hệ thống chất tải: Theo tiêu chuẩn xe tải, khung chất tải hoặc khung neo cho

phép tạo ra phản lực yêu cầu trên bề mặt thí nghiệm. Khoảng cách từ gối tựa của hệ

thống chất tải (là bánh xe trong trường hợp sử dụng xe tải) tới mép ngoài của tấm ép

tối thiểu là 2,4 m. Thực tế trong điều kiện thí nghiệm trên bề mặt kết cấu mái đê có

độ dốc. Việc sử dụng xe tải, khung chất tải hoặc khung neo đều không khả thi (vì rất

khó có thể di chuyển xe tải xuống được vị trí đo là mái đê dốc và có tường chắn sóng

cao, xe không thể di chuyển qua được). Do vậy, trong nghiên cứu sử dụng máy đào

(V = 0,8m3, G  27 tấn) thay thế, hình 3.11.

Hình 3. 11- Hê thống chất tải bằng máy đào

- Kích thuỷ lực: kích thủy lực có khả năng gia tải theo từng cấp đến cấp lực yêu

cầu, được trang bị đồng hồ xác định độ lớn của lực tác động trên tấm ép. Kích thủy

lực được hiệu chuẩn và cho phép tạo ra áp lực trên tấm ép với độ chính xác tới 0,01

MPa, hình 3.12.

Hình 3. 12- Kích thủy lực sử dụng đo mô đun đàn hồi hiện trường

-79-

- Tấm ép cứng: tấm thép hình tròn, đủ độ cứng với chiều dày không nhỏ hơn 25

mm. Sử dụng tấm ép đường kính 76 cm để thí nghiệm cho nền đất, tấm ép đường

kính 33 cm để thí nghiệm trên bề mặt các lớp kết cấu áo đường. Khi sử dụng tấm ép

có đường kính 76 cm, để đảm bảo độ cứng của tấm ép, cần sử dụng thêm 3 tấm ép

trung gian có đường kính lần lượt là 61 cm, 46 cm và 33 cm xếp chồng đồng tâm lên

tấm ép 76 cm tạo thành hình tháp trên bề mặt thí nghiệm. Trong nghiên cứu sử dụng

tấm ép có đường kính 33 cm, hình 3.13.

Hình 3. 13- Tấm ép cứng sử dụng đo mô đun đàn hồi hiện trường

- Đồng hồ đo biến dạng: hai đồng hồ đo biến dạng có vạch đo chính xác tới 0,01

mm, hành trình đo tới 25 mm, hình 3.14.

Hình 3. 14- Đồng hồ đo biến dạng tại hiện trường

- Cát khô, sạch (lọt qua sàng mắt vuông 0,6 mm và nằm trên sàng 0,3 mm) để

tạo phẳng bề mặt thí nghiệm.

- Nhiệt kế: để đo nhiệt độ thí nghiệm.

-80-

- Thước ni vô: để kiểm tra độ bằng phẳng bề mặt trước khi đo.

3.2.2.4. Trình tự thí nghiệm

- Chuẩn bị bề mặt thí nghiệm: San, gạt làm phẳng bề mặt tại vị trí thí nghiệm,

không làm xáo động kết cấu vật liệu khu vực thí nghiệm. Sử dụng cát mịn với khối

lượng ít nhất để tạo mặt phẳng nằm ngang dưới tấm ép cứng.

- Lắp đặt thiết bị đo: Đặt tấm ép cứng trên bề mặt đã tạo phẳng, đưa máy đào

vào vị trí đo, lắp đặt kích gia tải lên trên tấm ép sao cho tâm kích gia tải trùng với tâm

của tấm ép, lắp đặt hai đồng hồ đo biến dạng đối xứng qua tâm tấm ép, cách mép tấm

ép khoảng từ 10 mm đến 25 mm.

- Cấp lực gia tải: Cấp lực lớn nhất pmax phụ thuộc vào vị trí bề mặt lớp thí nghiệm:

pmax= 0,60 MPa với mặt; pmax =0,45 MPa với các lớp móng; pmax =0,25 MPa với nền.

Căn cứ vào cấp lực pmax để chọn cấp lực trung gian, chọn các cấp lực gần đều nhau

và dễ xác định trên đồng hồ kích.

- Gia tải trước để ổn định hệ thống đo: Sau khi lắp đặt xong hệ thống đo, tiến

hành gia tải đến tải trọng lớn nhất pmax và giữ tải trong thời gian 2 phút, sau đó dỡ tải

và chờ đến khi biến dạng ổn định.

- Tiến hành gia tải và dỡ tải ứng với mỗi cấp lực đến cấp lực pmax: Ứng với mỗi

cấp lực, gia tải đến giá trị đã chọn, theo dõi đồng hồ biến dạng để chờ đến khi độ

võng ổn định (tốc độ biến dạng không vượt quá 0,02 mm/phút), ghi lại giá trị đo võng

khi gia tải (gọi là số đọc đầu). Sau đó dỡ tải hoàn toàn (về giá trị lực bằng không)

thông qua việc xả dầu của kích thuỷ lực. Không dỡ tải đột ngột nhằm tránh gây mất

ổn định hệ đo. Ghi lại giá trị độ võng sau khi dỡ tải (gọi là số đọc cuối).

3.2.2.5. Biểu thị kết quả

- Tính giá trị độ võng đàn hồi: Giá trị độ võng đàn hồi tương ứng với mỗi cấp

lực là hiệu số của số đọc đầu trừ đi số đọc cuối.

- Vẽ biểu đồ quan hệ giữa độ võng đàn hồi và áp lực: Trên cơ sở các cặp giá trị

độ võng đàn hồi và cấp lực tương ứng, đánh dấu các điểm này trên đồ thị quan hệ,

-81-

trong đó trục hoành biểu thị áp lực, trục tung biểu thị độ võng đàn hồi. Vẽ đường

thẳng biểu diễn quan hệ này theo phương pháp sai số bình phương nhỏ nhất. Phương

trình có dạng y’ = ax + b.

- Hiệu chỉnh đường quan hệ độ võng đàn hồi - áp lực: Việc hiệu chỉnh được tiến

hành bằng cách tịnh tiến đường thẳng y’ về gốc tọa độ. Phương trình sau hiệu chỉnh

có dạng y = ax.

𝜋

- Mô đun đàn hồi được xác định theo công thức 3.4 [6]:

𝐸ℎ𝑡 = 1000 x

p.D.(1−𝜇2) 𝐿

(3.4)

trong đó:

Eht - mô đun đàn hồi hiện trường, MPa;

p - áp lực gia tải lên tấm ép, MPa;

L - giá trị độ võng đàn hồi được xác định trên đường quan hệ độ võng đàn hồi-

áp lực đã hiệu chỉnh, mm;

D - là đường kính tấm ép, m;

µ - là hệ số Poisson, được lấy bằng 0,30 đối với cả kết cấu mái đê.

3.2.2.6. Quá trình thí nghiệm.

Sau khi lớp gia cố mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

được thi công thử nghiệm trên một đoạn của tuyến đê biển Cồn Tròn - Hải Hậu - Nam

Định. Qua một thời gian sử dụng, tiến hành kiểm tra đo mô đun đàn hồi của vật liệu

hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc trực tiếp trên mái đê. Dụng cụ, trang thiết bị và

phương pháp thí nghiệm đã được trình bày ở phần trên, dưới đây trình bày chi tiết

quá trình thí nghiệm.

- Sơ đồ bố trí các điểm đo mô đun đàn hồi chung tại hiện trường: Trên mặt bằng

bố trí 12 điểm đo mô đun đàn hồi, các điểm thí nghiệm được bố trí thành 02 hàng

song song dọc theo tuyến đê, trên một hàng các điển thí nghiệm bố trí cách nhau 8m.

Chi tiết mặt bằng bố trí các điểm thí nghiệm như hình 3.15.

-82-

Hình 3. 15 - Sơ đồ bố trí các điểm đo mô đun đàn hồi tại hiện trường

- Thời điểm thí nghiệm: Để xác định được chính xác giá trị mô đun đàn hồi của

lớp kết cấu mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, phù hợp với

điều kiện thực tế làm việc. Với điều kiện nhiệt độ khí hậu thay đổi lớn theo các mùa

trong năm. Vì vậy, tại mỗi điểm đo sẽ tiến hành thí nghiệm 05 điểm nhiệt độ khác

nhau (với khoảng T ≈ 15oC ÷ 40oC). Để có được các điểm nhiệt độ khác nhau, quá

trình thí nghiệm phải bố trí vào ba thời điểm.

Với điểm nhiệt độ T ≈ 15oC, được tiến hành thí nghiệm vào giữa tháng 2 năm

2017.

Với điểm nhiệt độ T ≈ 20oC ÷ 25oC, được tiến hành thí nghiệm vào đầu tháng 5

năm 2017.

Với điểm nhiệt độ T ≈ 30oC ÷ 40oC, được tiến hành thí nghiệm vào cuối tháng 5

đầu tháng 6 năm 2017.

- Nhiệt độ thí nghiệm: Được xác định theo [5] cách đo nhiệt độ kết cấu mái đê

như sau:

Dùng búa và đục nhọn tạo thành một hố nhỏ sâu chừng 45 mm tại bề mặt kết

cấu gần vị trí đo;

Đổ nước vào khoảng nửa hố và đợi chừng vài phút;

Dùng nhiệt kế đo nhiệt độ của chất lỏng trong hố cho đến khi nhiệt độ không

thay đổi thì ghi trị số nhiệt độ đo (ký hiệu là T0C).

-83-

3.2.2.7. Kết quả thí nghiệm

Giá trị thí nghiệm đo được tổng hợp ở bảng 3.12.

Bảng 3. 12- Tổng hợp kết quả đo mô đun đàn hồi chung hiện trường

Nhiệt độ thí nghiệm và Mô đun đàn hồi chung hiện trường

TT Điểm đo

TºC

Ech (MPa)

1 HT - 01 15,6 166,8 20,3 155,0 25,5 148,9 30,6 139,6 36,7

98,7

2 HT - 02 16,2 158,9 22,1 152,0 27,0 141,1 32,1 127,7 36,2 118,8

3 HT - 03 15,0 168,0 20,5 146,2 25,9 139,3 30,2 135,3 35,0 125,2

4 HT - 04 15,1 149,8 19,8 161,7 24,7 152,5 29,5 135,5 36,5 116,9

5 HT - 05 15,5 165,4 21,2 155,0 24,5 145,6 30,0 131,2 37,8 134,9

6 HT - 06 15,0 174,7 22,0 146,7 25,0 145,9 30,7 139,5 35,0 116,9

7 HT - 07 16,6 159,7 20,6 151,6 26,9 139,7 31,6 130,6 35,1 123,8

8 HT - 08 15,0 163,6 19,5 156,4 25,0 144,5 30,3 130,4 35,9 117,3

9 HT - 09 15,6 158,8 21,7 154,7 26,1 150,3 29,9 142,0 34,5 130,7

10 HT - 10 15,7 170,2 20,0 163,1 23,0 160,2 31,4 125,7 38,0 108,2

11 HT - 11 14,9 197,1 22,3 147,7 26,1 145,4 30,0 144,6 35,0 127,1

12 HT - 12 15,1 169,6 21,8 149,4 25,5 142,5 30,8 133,1 36,8

95,8

Giá trị đo được là mô đun đàn hồi chung của toàn bộ kết cấu mái đê biển. Chi tiết

Ech - Mô đun đàn hồi chung toán bộ kết cấu

E2 - Mô đun đàn hồi lớp kết cấu bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

E1 - Mô đun đàn hồi lớp lọc bằng đá dăm lót 1x2cm

E0 - Mô đun đàn hồi đất nền

cấu tạo các lớp kết cấu như hình 3.16.

Hình 3. 16- Chi tiết cấu tạo các lớp kết cấu mái đê biển

-84-

Căn cứ vào giá trị mô đun đàn hồi chung Ech, mô đun đàn hồi đất nền Eo, mô đun

đàn hồi lớp đá dăm lót E1 tính ra được mô đun đàn hồi của lớp kết cấu bằng vật liệu

hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc E2 ( Chi tiết tính toán xem phụ lục: Tính toán mô

đun đàn hồi của lớp kết cấu mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá

hộc).

Tổng hợp kết quả tính toán mô đun đàn hồi E2 của lớp kết cấu bảo vệ mái đê biển

bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc trong bảng 3.13.

Bảng 3. 13- Tổng hợp giá trị mô đun đàn hồi của lớp kết cấu bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

Nhiệt độ thí nghiệm và Mô đun đàn hồi E2 hiện trường

TT Điểm đo

TºC

E2 (MPa)

1 HT - 01 15,6 199,2 20,3 167,9 25,5 150,0 30,6 126,8

36,7

59,4

2 HT - 02 17,5 181,7 22,1 157,5 27,0 130,8 32,1 104,7

36,2

87,0

3 HT - 03 15,0 206,3 20,5 145,7 25,9 126,5 30,2 119,5

35,0

99,5

4 HT - 04 13,3 162,8 19,8 185,7 24,7 158,3 29,5 118,5

36,5

82,2

5 HT - 05 15,5 196,8 21,2 165,4 24,5 141,9 30,0 109,5

37,8 114,9

6 HT - 06 15,0 221,5 22,0 146,5 25,0 142,5 30,7 126,8

35,0

82,1

7 HT - 07 17,5 182,0 20,6 159,7 26,9 128,8 31,6 110,4

35,1

94,5

8 HT - 08 15,0 189,1 19,5 170,3 25,0 138,9 30,3 108,4

35,9

84,4

9 HT - 09 17,9 180,5 21,7 167,5 26,1 152,4 29,9 135,1

34,5

10 HT - 10 15,7 210,5 20,0 192,5 23,3 171,5 31,4

98,1

38,0

70,3

11 HT - 11 13,2 265,5 22,3 145,1 26,1 141,7 30,0 139,1

35,0 103,2

12 HT - 12 15,1 209,2 21,8 150,9 26,5 132,5 30,8 115,0

36,8

63,8

Giá trị mô đun đàn hồi E2 của lớp kết cấu bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn

trong đá hộc là kết quả tương ứng với nhiệt đo được tại thời điểm tiến hành thí nghiệm

đo mô đun đàn hồi chung, trên mô hình thực tế ở đê biển Hải Hậu - Nam Định. Để

có được các giá trị mô đun đàn hồi ứng với các điểm nhiệt độ thí nghiệm: 15oC, 20oC,

-85-

25oC, 30oC, 35oC, là các điểm nhiệt độ thí nghiệm tương ứng xác định mô đun đàn

hồi trong phòng thí nghiệm. Tiến hành xác định quan hệ giữa nhiệt độ thí nghiệm

ToC và mô đun đàn hồi E2 của cùng một điểm đo. Từ quan hệ đó xác định được giá

trị mô đun đàn hồi E2 tương ứng với các giá trị nhiệt độ 15oC, 20oC, 25oC, 30oC,

35oC.

Tổng hợp các giá trị mô đun đàn hồi hiện trường Eht của lớp kết cấu bảo vệ mái

đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc (Eht chính là E2), tại các điểm

đo HT-01, HT-02, HT-03, HT-04, HT-05, HT-06, HT-07, HT-08, HT-09, HT-10,

HT-11, HT-12 tương ứng với các điểm nhiệt độ thí nghiệm 15oC, 20oC, 25oC, 30oC,

35oC có kết quả ở bảng 3.14.

Bảng 3. 14- Tổng hợp kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi hiện trường Eht của lớp kết cấu bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

Mô đun đàn hồi hiện trường Eht (MPa)

TT

Điểm đo

T=15oC

T=20oC

T=25oC

T=30oC

T=35oC

HT - 01

205,7

166,6

154,6

127,3

83,7

HT - 02

192,5

173,4

134,7

119,6

90,6

HT - 03

206,3

150,9

125,5

121,8

99,5

HT - 04

179,2

180,7

163,6

110,7

87,7

HT - 05

198,6

173,1

140,0

109,5

104,3

HT - 06

221,5

155,8

142,3

130,7

82,1

HT - 07

203,7

170,3

126,5

123,5

93,3

HT - 08

189,1

168,4

138,9

111,3

88,6

HT - 09

193,5

171,8

159,2

133,9

100,5

HT - 10

211,2

192,5

162,7

106,5

78,4

HT - 11

220,8

155,9

140,8

139,1

103,2

HT - 12

209,1

167,2

128,8

124,9

82,8

GTTB Eht

202,6

168,9

143,1

121,6

91,2

-86-

Với các giá trị mô đun đàn hồi tại hiện trường trung bình của 12 điểm thí nghiệm,

tương ứng với các điểm nhiệt độ thí nghiệm, vẽ được biểu đồ tương quan giữa nhiệt

độ (T) và mô đun đàn hồi tại hiện trường (Eht) như hình 3.17.

BIỂU ĐỒ TƯƠNG QUAN GIỮA T VÀ Eht

220

210

200

) a P M

190

y = 367,19e-0,038x R² = 0,986

180

170

160

( t h E g n ờ ư r t

150

n ệ i h

140

i ồ h

130

120

n à đ

110

n u đ

100

ô M

25 Nhiệt độ T ( độ C)

Hình 3. 17 - Biểu đồ tương quan giữ nhiệt độ và mô đun đàn hồi tại hiện trường

3.2.2.8. Đánh giá kết quả thí nghiệm

Máy móc, trang thiết bị và dụng cụ thí nghiệm được kiểm định theo đúng tiêu

chuẩn.

Quá trình thí nghiệm được tuân thủ theo đúng quy định.

Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi hiện trường có giá trị trung bình từ 91,2 ÷

202,6 MPa, tương ứng với nhiệt độ thí nghiệm từ 35 ÷ 150C. Tương quan giữa nhiệt

độ thí nghiệm và mô đun đàn hồi hiện trường phù hợp với quy luật, nhiệt độ càng cao

thì mô đun đàn hồi càng giảm. Giá trị mô đun đàn hồi thí nghiệm nhỏ hơn so với giá

trị mô đun đàn hồi của bê tông nhựa làm đường giao thông (thường biến đổi từ 225

÷ 1800 MPa tương ứng nhiệt độ thí nghiệm từ 30 ÷ 150C với loại bê tông nhựa rỗng

đến bê tông nhựa chặt [7]). Giá trị mô đun đàn hồi nhỏ hơn là phù hợp vì hỗn hợp

asphalt chèn trong đá hộc sử dụng nhiều bi tum hơn, khoảng từ 14 ÷ 20%[31] so với

-87-

bê tông nhựa, khoảng từ 5 ÷ 7% [16].

3.2.3. Xây dựng công thức thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi

3.2.3.1. Xây dựng biểu đồ tương quan

a- Biểu đồ tương quan giữa nhiệt độ thí nghiệm với mô đun đàn hồi trong phòng và

hiện trường

Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi hiện trường: Với 12 điểm đo có ký hiệu HT-

01, HT-02, HT-03, HT-04, HT-05, HT-06, HT-07, HT-08, HT-09, HT-10, HT-11,

HT-12. Tính được giá trị trung bình của 12 điểm đo tương ứng với 5 điểm giá trị nhiệt

độ thí nghiệm 15oC, 20oC, 25oC, 35oC.

Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng: Với 12 tổ mẫu (mỗi tổ 03 viên

mẫu). Tính được giá trị trung bình của 12 tổ mẫu tương ứng với 5 điểm giá trị nhiệt

độ thí nghiệm 15oC, 20oC, 25oC, 35oC.

Vẽ biểu đồ quan hệ giữa nhiệt độ thí nghiệm với mô đun đàn hồi trong phòng và

mô đun đàn hồi hiện trường trên cùng một đồ thị hình 3.18.

230

y = 367,19e-0,038x R² = 0,986

210

y = 357,03e-0,04x R² = 0,9786

190

) a P M

170

( E

i ồ h

150

n à đ

T~Etp

130

T~Eht

n u đ

110

Expon. (T~Etp)

ô M

Expon. (T~Eht)

25 Nhiệt độ thí nghiệm (độ C)

BIỂU ĐỒ TƯƠNG QUAN GIỮA T VÀ E

Hình 3. 18 - Biểu đồ tương quan giữa nhiệt độ với mô đun đàn hồi trong phòng và mô đun đàn hồi hiện trường

Qua biểu đồ trên ta nhận thấy, đường quan hệ giữa nhiệt độ và mô đun đàn hồi

trong phòng, nhiệt độ và mô đun đàn hồi hiện trường được thể hiện theo hàm số mũ

-88-

rất chặt chẽ với hệ số xác định R2 cao, lần lượt là R2 = 0,986 và R2 = 0,9786. Dạng

phương trình hàm số mũ của hai quan hệ trên cũng tương tự nhau, gần như song song

tuyến tính với nhau. Phần nào khẳng định tương quan đồng nhất giữa các giá trị mô

đun đàn hồi trong phòng và mô đun đàn hồi hiện trường.

b- Biểu đồ tương quan giữa mô đun đàn hồi trong phòng và mô đun đàn hồi hiện

trường

Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hổi hiện trường: Với 12 điểm thí nghiệm, mỗi

điểm đo 5 giá trị nhiệt độ. Kết quả đo được 60 giá trị mô đun hiện trường.

Kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng: Với 5 điểm nhiệt độ thí nghiệm,

mỗi điểm nhiệt độ thí nghiệm 12 tổ mẫu. Kết thí nghiệm được 60 giá trị mô đun đàn

hồi trong phòng.

Từ kết quả số liệu thí nghiệm, lập quan hệ tương quan giữa mô đun đàn hồi trong

phòng với mô đun đàn hồi hiện trường trên đồ thị hình 3.19.

BIỂU ĐỒ TƯƠNG QUAN GIỮA Etp ~ Eth

240

220

y = 1.0608x R² = 0.9992

200

) a P M

180

160

( t h E g n ờ ư r t

n ệ i h

140

i ồ h

120

n à đ

n u đ

100

ô M

100

120

140

160

180

200

220

Mô đun đàn hồi trong phòng Etp (MPa)

Hình 3. 19 - Biểu đồ tương quan giữa mô đun đàn hồi trong phòng và mô đun đàn hồi hiện trường

-89-

Qua đồ thi ta nhận thấy, quan hệ tương quan giữa mô đun đàn hồi thí nghiệm

trong phòng và mô đun đàn hồi thí nghiệm hiện trường được thể hiện theo phương

trình đường thẳng (3.5):

y = 1,0608 x (3.5)

Giá trị hệ số xác định R2 = 0,9992 cao.

3.2.3.2. Thiết lập tương quan giữa mô đun đàn hồi trong phòng và mô đun đàn hồi

hiện trường bằng phần mềm R

Từ giá trị của hai chuỗi số liêu thí nghiệm mô đun đàn hồi hiện trường (Eht) và

mô đun đàn hồi trong phòng (Etp). Sử dụng R vẽ biểu đồ tán xạ giữa Eht~Etp.

Hình 3. 20 - Biểu đồ tán xạ giữa Eht và Etp

- Xác định hệ số tương quan Pearson

Kết quả chạy phần mềm R (chi tiết xem mục a - Phục lục 2), cho ra kết quả giá

trị hệ số tương quan r = 0,99422 ( 1) có nghĩa là hai biến số có mối liên hệ rất chặt

chẽ gần như tuyệt đối. Ngoài hệ số tương quan còn cho ta biết khoảng tin cây 95%

-90-

có hệ số biến đổi từ 0,99031 đến 0,99656, chỉ số p < 2,2e-16 rất nhỏ.

- Mô hình của hồi qui tuyến tính đơn giản

Kết quả mô hình (chi tiết xem mục b- Phụ lục 2), cho thấy α̂ = 0,00 và β̂ = 1,061.

Vì vậy có thể ước tính giá trị mô đun hiện trường thông qua giá trị mô đun trong

phòng bằng phương trình tuyến tính (3.6).

(3.6) ŷi = 1, 061 xi

Từ các thông tin tính toán mô hình hồi quy tuyến tính đơn giản (chi tiết xem mục

c - Phụ lục 2) rút ra được những nhận xét sau:

+ KQ c1 (residuals) mô tả phần dư của mô hình hồi qui: Ta biết rằng trung bình

phần dư phải là 0, kết quả ở đây số trung vị là -0,3215 cũng không xa 0 bao nhiêu.

Các số tại điểm phân vị 25% (1Q) và 75% (3Q) cũng khá cân đối chung quanh số

trung vị, cho thấy phần dư của phương trình này tương đối cân đối.

+ KQ c2 (coefficients) trình bày ước số của của α̂ và β̂ cùng với sai số chuẩn và

giá trị của kiểm định t: Giá trị kiểm định t cho β̂ là 70,517 với trị số p <2e-16, cho

thấy β không phải bằng 0. Nói cách khác, chúng ta có bằng chứng để cho rằng có một

mối liên hệ giữa mô đun đàn hồi hiện trường và mô đun đàn hồi trong phòng và mối

liên hệ này có ý nghĩa thống kê.

+ KQ c3 (residual mean square) cho chúng ta thông tin về phương sai của phần

dư: Trị số R2 hay hệ số xác định bội bằng tổng bình phương giữa số ước tính và trung

bình chia cho tổng bình phương số quan sát và trung bình. Tri số R2 = 0,9885 có nghĩa

là phương trình tuyến tính (với mô đun đàn hồi trong phòng là một yếu tố) giải thích

khoảng 99% các khác biệt về mô đun đàn hồi hiện trường giữa các giá trị mô đun đàn

hồi trong phòng. Tất nhiên trị số R2 có giá trị từ 0 đến 100% (hay 1). Giá trị R2 càng

cao là một dấu hiệu cho thấy mối liên hệ giữa hai biến số càng chặt chẽ.

- Mô hình tiên đoán

Sau khi mô hình tiên đoán đã được kiểm tra và tính hợp lí đã được thiết lập.

Vẽ đường biểu diễn của mối liên hệ giữa mô đun đàn hồi hiện trường và mô đun đàn

hồi trong phòng, kết quả như hình 3.21.

-91-

Hình 3. 21- Đường biểu diễn mối liên hệ giữa mô đun đàn hồi hiện trường và mô đun đàn hồi trong phòng

- Kết luận:

Với việc sử dụng phần mềm R để kiểm định mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi

hiện trường (Eht) và mô đun đàn hồi trong phòng (Etp), xác định được giữa hai thông

số này có mối tương quan rất chặt chẽ, gần như tuyệt đối. Thông qua phương trình

tuyến tính ŷi = 1, 061 xi (Phương trình này cũng tương tự như phương trình quan hệ

trong excel y = 1,0608 x đã trình bày ở trên).

Mối quan hệ tương quan giữa mô đun đàn hồi trong phòng với mô đun đàn hồi

hiện trường, của vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc cho kết cấu mái đê biển

với các điều kiện thí nghiệm nêu trên theo phương trình 3.7.

(3.7) Eht = 1,061 Etp

Như vậy, thay vì việc thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi tại hiện trường, để

phục vụ cho kiểm định và tính toán thông số thiết kế kết cấu mái đê biển sử dụng vật

liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc. Chúng ta có thể sử dụng phương pháp mô

phỏng tương tự như đã trình bày, để thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi trong phòng

thí nghiệm dễ dàng, đỡ tốn kém và tiết kiệm thời gian hơn.

-92-

3.3. Kết luận chương 3

• Trên cơ sở phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chiều sâu thâm nhập của hỗn

hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc, tác giả sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm

để thiết lập công thức thực nghiệm. Đã xác định được các yếu tố ảnh hưởng, khoảng

biến thiên của các yếu tố ảnh hưởng, các kịch bản thí nghiệm và tiến hành thí nghiệm

theo các kịch bản, sử dụng phần mềm Design Expert 11 tìm ra được công thức (3.3)

tính toán chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc:

ℓ = 19,37 + 0,342 d - 0,333 η - 0,015 d η + 0,064 d2 + 0,003 η

Phạm vi sử dụng của công thức (3.3):

Đá hộc là loại đá vôi Ninh Bình;

Độ nhớt  = 30 ÷80 Pa.s;

Kích thước đá hộc d = 10 ÷30 cm.

Qua đó xác định được độ nhớt yêu cầu của hỗn hợp asphalt, khi biết kích thước

viên đá hộc sử dụng lát mái và chiều dày lớp kết cấu lát mái (chiều sâu thâm nhập

của hỗn hợp asphalt). Độ nhớt yêu cầu xác định được là cơ sở cho việc thiết kế cấp

phối của vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc.

Mối quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt với kích thước đá

hộc và độ nhớt hỗn hợp asphalt còn được thể hiện qua hệ thống biểu đồ (3.4), (3.5),

(3.6) và (3.7).

Để thuận tiện cho việc tính toán sử dụng số liệu cho người sử dụng sau này, tác

giả cũng đã lập ra bảng tra giá trị chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe

rỗng đá hộc, tương ứng với các cặp giá trị kích thước đá hộc sử dụng lát mái và độ

nhớt hỗn hợp asphalt (bảng 3.10). Qua đó có thể xác định được một trong ba giá trị

khi biết hai giá trị còn lại một cách đơn giản và chính xác, thuận lợi trong việc tính

toán cấp phối hỗn hợp asphalt và kiểm soát chất lượng thi công kết cấu bảo vệ mái

• Tác giả cũng đã phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi của kết

đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc ở Việt Nam.

cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, để làm cơ sở

khoa học cho việc mô phỏng thí nghiệm tương tự trong phòng thí nghiệm, sử dụng

phần mềm R để đánh giá tương quan và kết quả khẳng định giá trị mô đun đàn hồi

-93-

hiện trường và mô đun đàn hồi trong phòng của kết cấu bảo vệ mái đê biển có tương

quan với nhau, thông qua công thức (3.7): Eht = 1,061 Etp.

Phạm vi sử dụng công thức (3.7):

Mái nghiêng đê phía biển m = 3÷4;

Đá hộc là loại đá vôi Ninh Bình;

Đá dăm 2x4 (cm).

Kết quả nghiên cứu, đã xây đựng được phương pháp thí nghiệm xác định mô đun

đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển, làm cơ sở cho việc kiểm định và thiết kế xác

định chiều dày lớp gia cố mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá

hộc.

-94-

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN HẢI HẬU - NAM ĐỊNH

Để chứng minh, kiểm nghiệm kết quả nghiên cứu ở chương 3. Tác giả tiến hành

so sánh, đánh giá kết quả nghiên cứu của luận án với kết quả nghiên cứu và kết quả

thực tế trên mô hình thi công thử nghiệm đoạn từ K21+003 - K21+058 thuộc đê biển

Cồn Tròn - Hải Hậu - Nam Định của đề tài [10].

4.1. Đặc điểm đoạn đê biển thi công thử nghiệm

Hình 4. 1- Vị trí đoạn đê biển nghiên cứu

- Kết cấu đoạn đê thi công thử nghiệm: Mái đê phía biển được gia cố bằng cách

lắp ghép các cấu kiện bê tông mác 200, dày 23cm, chân khay được gia cố bằng các

ống buy đường kính 1m, mặt đê ở cao trình +5,00 gia cố bẳng bê tông cốt thép mác

200, dày 20cm, mái đê phía đồng được phân ô bằng đá xây và trồng cỏ.

Hình 4. 2- Hiện trạng hư hỏng đê biển Cồn Tròn - Hải Hậu [10]

- Hiện trạng hư hỏng của đoạn đê biển Hải Hậu theo điều tra khảo sát: lớp gia cố

từ cao trình +2,1 trở xuống bị bong, xô. Các vật liệu trong mái kè bị sóng lôi ra ngoài.

-95-

Cấu kiện bị mài mòn, gây hư hại đến kết cấu lớp gia cố làm mất ổn định mái đê, hình

4.2.

- Phương án sửa chữa: Thay thế lớp cấu kiện bê tông lục giác trên mái đê phía

biển đã bị hư hỏng bằng lớp gia cố mới sử dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong

đá hộc. Phạm vi từ K21+003 - K21+058, và từ cao trình -0,5 đến +2,1m, hình 4.3.

a. Hiện trạng đoạn đê sau thi công, tháng 5 năm 2017

b. Hiện trạng đoạn đê sau thi công, tháng 3 năm 2020

Hình 4. 3- Đoạn đê sau thi công thử nghiệm

4.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu xác định mô đun đàn hồi tính toán thiết kế

kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

4.2.1. Xác định điều kiện biên

Theo [7], cao trình đỉnh đê không cho phép sóng tràn qua được xác định theo công

thức 4.1:

(4.1) Zđ = Ztkp + Rslp + a + b

trong đó: Zđ - là cao trình đỉnh đê thiết kế, m;

-96-

Ztkp - là cao trình mực nước biển thiết kế, m;

Rslp - là chiều cao sóng leo thiết kế, m;

a - là trị số gia tăng độ cao an toàn phụ thuộc vào cấp công trình;

b - là độ dâng cao của mực nước biển do ảnh hưởng của biến đổi khí

hậu toàn cầu, m.

+ Xác định mực nước biển tính toán (Ztkp)

Ztkp là cao trình mực nước biển thiết kế tương ứng với tần suất thiết kế (bao gồm

tổ hợp của tần suất mực nước triều, tần suất mực nước dâng do bão và các yếu tố tác

động tự nhiên khác gây ra). Ztkp phụ thuộc vào tần suất thiết kế (hay chu kỳ số năm

lặp lại) và vị trí địa lý của khu vực xây dựng công trình.

Đoạn đê biển nghiên cứu thuộc địa phận xã Hải Hòa. Tra phụ lục B bảng B.1

và bảng B.2 tài liệu [7] có mặt cắt MC15, mực nước biển Ztkp = 3,178 m (tuyến đê

biển cấp III, tần suất thiết kế p =2%).

+Xác định chiều cao sóng leo Rslp (m):

Sóng leo thiết kế, ký hiệu là Rslp xác định theo công thức (4.2) hoặc (4.3):

𝑅𝑠𝑙𝑝 𝐻𝑠𝑝

1,6

: (4.2) 0,5 < b.0 < 1,8 = 1,75 .b.f.0

𝑅𝑠𝑙𝑝 𝐻𝑠𝑝

√𝜉0

: (4.3) 1,8 < b.0 < ( 8,0  10,0) = .f.(4,3 - 0)

Với gió bão cấp 10 có vận tốc W = 24,4 - 28,4→ chọn Wtt=28,4m/s.

- Với cao độ trung bình mặt bãi trước đê [10]: +0,50 m.

Chiều sâu cột nước tính toán trước đê: h = (3,178 - 0,50) = 2,678m.

- Tính toán Hs và Ls theo phương pháp Bresthneider:

Theo tiêu chuẩn phương pháp Bresthneider, dựa trên giả thiết là sóng sinh ra do

gió trong khu vực, trong điều kiện bão thiết kế phù hợp với khu vực chịu ảnh hưởng

𝑔ℎ

trực tiếp trên hướng gió thổi. Công thức (4.4) và (4.5).

𝑔𝐻𝑠 𝑊2 = 0,283 𝑡𝑎𝑛ℎ[ 0,53(

𝑊2]0,75 𝑡𝑎𝑛ℎ

0,0125(𝑔𝐷/𝑊2)0,42 𝑡𝑎𝑛ℎ[0,530(𝑔ℎ/𝑊2)0,75]

𝑔ℎ

(4.4)

𝑊2]0,375 𝑡𝑎𝑛ℎ

0,077(𝑔𝐷/𝑊2)0,25 𝑡𝑎𝑛ℎ[0,833(𝑔ℎ/𝑊2)0,375]

𝑔𝑇𝑝 𝑊

(4.5) = 2𝜋. 1,2 𝑡𝑎𝑛ℎ[ 0,83(

trong đó:

Hs - Chiều cao sóng tính toán (m);

-97-

Tp - Chu kỳ đỉnh sóng tính toán (s);

D - Đà gió thiết kế (m).

5.1011.𝜈 𝑤

𝐷 =

trong đó: : Hệ số nhớt động học của không khí,  = 10-5(m2/s);

W: Vận tốc gió tính toán, W = 28,4 m/s.

→ D= 176,056(km)

Thay số vào các công thức (4.4) và (4.5) tính được:

Hs = 0,93 m; Tp = 3,91 s; Ls = 23,1 m.

Thay vào công thức (4.2), (4.3) tính được: Rslp = 1,7m.

= 3,18 + 1,7 + 0,4 + 0,24 = 5,52m.

Thay vào công thức (4.1) ta có:

Cao trình đỉnh đê thiết kế Zđ

Như vậy cao trình đỉnh đê thiết kế: Zđ = +5,5 m.

4.2.2. Tính toán chiều dày lớp giá cố

4.2.2.1. Phương pháp tra biểu đồ

Sử dụng phương pháp tra biểu đồ quan hệ giữa chiều dày lớp giá cố, phản lực

nền, độ cao sóng tiêu chuẩn, mái dốc đê. Với lớp gia cố bằng vật liệu hỗn hợp asphalt

chèn trong đá hộc [10],[31]. Biểu đồ quan hệ hình 4.4.

Hình 4. 4- Quan hệ chiều dày, phản lực nền, độ cao sóng tiêu chuẩn, mái dốc đê đối với lớp gia cố bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc [31]

Với m = 1:4 ; Hs = 0,93m; đất đắp thân đê Hải Hậu là loại đất cát đầm nện tốt

-98-

với mô đun phản lực nền đê là c = 1.108 N/m3 (bảng 20.3 tài liệu [31]) ta có chiều

dày lớp bảo vệ mái đê là h = 0,15 m.

4.2.2.2. Ứng dụng kết quả nghiên cứu tính toán chiều dày lớp gia cố bằng phương

pháp giải tích

Ứng dụng công thức (3.7), xác định chiều dày lớp gia cố của đoạn đê biển đã

được ứng dụng ở Hải Hậu - Nam Định [10] bằng phương pháp giải tích.

𝑠

Chiều dày kết cấu gia cố mái đê biển bằng FGSA xác định theo công thức 1.8.

5 ℎ = 0,75. √

1 (1−𝜈2)

𝑐

𝑝 𝜎𝑏

. . ( )4. ( )

Xác định các tham số trong công thức:

1) Áp lực sóng P

Áp lực sóng tính toán lớn nhất (hình 4.5) được tính theo công thức (4.6).

(4.6) Pd = ks .kt .ptcl ..g.Hs

Hình 4. 5 - Biều đồ áp lực sóng tính toán lớn nhất tác dụng lên mái dốc

trong đó:

𝐻𝑠 𝐿𝑠

+ 𝑐𝑜𝑡 𝑔 𝜙. (0,028 − 1,15. (4.7) ) 𝑘𝑠 = 0,85 + 4,8.

Thay số vào công thức (4.7) tính được: ks = 0,97.

kt - tra bảng F1 phụ lục F tài liệu [7] được: kt = 1,35.

ptcl - tra bảng F2 phụ lục F tài liệu [7] được: ptcl = 2,8.

Thay số vào công thức (4.6) tính được Pd = 34.120,5 kPa = 34,12.103 N/m2.

-99-

Trên các đoạn mái dốc nằm cao hơn hoặc thấp hơn điểm 2 (hình 4.5), phải lấy

các tung độ P của biểu đồ áp lực sóng ở các khoảng cách (đơn vị là m) như sau:

P = 0,4 Pd tại vị trí:

L1 = 0,0125 L

L3 = 0,0265 L

P = 0,1 Pd tại vị trí:

L2 = 0,0325 L

L4 = 0,075 L

trong đó:

(4.8)

𝐿𝑠 𝑐𝑜𝑡𝑔 4 √𝑐𝑜𝑡𝑔2 −1

L =

Với Ls = 23,1 m, cotg = 4,0 thay vào công thức (4.8) tính được: L = 46,9 m.

L1 = 0,59 m

L3 = 1,24 m

L2 = 0,59 m

L4 = 3,52 m

Từ biểu đồ áp lực sóng trên hình 4.5, vẽ được biểu đồ áp lực sóng phân bố đều

trên một mặt cắt như hình 4.6.

Áp lực sóng P = 0,36 Pd .L = 75,05.103 N/m

Hình 4. 6- Biểu đồ áp lực sóng phân bố đều trên mặt cắt

-100-

2) Mô đun độ cứng S (trong trường hợp nghiên cứu chính là mô đun đàn hồi Eht) của

vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

Theo kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng (bảng 3.11), ở nhiệt độ thí

nghiệm T = 200C → Etp = 160,4 MPa.

Ứng dụng công thức (3.7): Eht = 1,061 Etp

→ Eht = 170,2 MPa = 170,2. 106 N/m2

3) Ứng suất phá hỏng vật liệu hỗn hợp asphalt Ϭb

Ϭb = 3,4. 105 N/m2 ( tra bảng 20.1 tài liệu [31]).

2) Hệ số Poisson đối với vật liệu hỗn hợp asphalt

ν = 0,3 (tra đồ thị hình 66 tài liệu [31]).

3) Mô đun phản lực nền

Đất đắp thân đê Hải Hậu là loại đất cát đầm nện tốt, mô đun phản lực nền đê là

c = 1.108 N/m3 ( tra bảng 20.3 tài liệu [31]).

6) Thay các giá trị tính toán được vào công thức 1.8, tính được chiều dày lớp gia cố

bằng FGSA cho mái đê biển: h ≈ 0,28 m

Giá trị tính toán chiều dày lớp gia cố h = 0,28 m, để thuận tiện cho việc thi công

chọn h = 0,3m.

4.2.3. Kiểm tra điều kiện an toàn lớp gia cố

Kết quả tính toán chiều dày lớp gia cố mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt

chèn trong đá hộc theo hai phương pháp có giá trị như sau:

Theo phương pháp tra biểu đồ h = 0,15 m.

Theo phương pháp công thức giải tích h = 0,3 m.

Tiến hành kiểm tra các điều kiện an toàn lớp gia cố cho hai trường hợp tương

ứng với h = 0,15m và h = 0,3m để so sách sự phù hợp.

4.2.3.1. Kiểm tra điều kiện an toàn lớp gia cố chịu tác động sóng dội vào

a- Cơ chế phá hoại do sóng đổ vào lớp gia cố mái đê

Khi sóng dội vào mái đê, khối nước của sóng với tốc độ lớn qua khe hở lớp gia

cố tạo thành một khối nước tức thời đẩy lớp gia cố cong lên cục bộ, hình 4.7.

-101-

y I Áp lực sóng (y,t) III Hs

II Áp lực đẩy nổi (y,t)

Hình 4. 7- Biến dạng lớp gia cố bằng hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc [32]

- Vùng I là vùng chuyển tiếp từ sóng ngoài bờ tiến vào mái đê, phụ thuộc địa

hình bãi trước đê, có chiều cao sóng, tốc độ truyền sóng và các thông số của sóng

thay đổi.

- Vùng II là vùng chịu ảnh hưởng của cấu trúc đê, sóng bị vỡ và đổ vào mái đê

tạo áp lực lớn lên lớp gia cố.

- Vùng III là vùng chịu sự chuyển động của khối nước do sóng đổ vào, trong tức

thời không tiêu thoát kịp, tạo áp lực đẩy ngược lớp gia cố. Vì lớp gia cố bằng đá hộc

chèn vữa asphalt, do sức dính kết tốt và tính dẻo, tính đàn hồi tốt nên chúng chỉ bị

đẩy cong cục bộ nếu thiết kế chiều dày đủ ổn định, chống trượt và áp lực đẩy nổi.

Ảnh hưởng phần sóng dội như hình 4.8.

Cb= g hb

Hb hb P

Tâm điểm tác động Của sóng dội db

Hình 4. 8- Sơ đồ tính toán kiểm tra tác động của sóng dội [32]

b - Tính toán kiểm tra

Tốc độ sóng dội vào lớp gia cố thường rất lớn, được tính theo công thức (4.9).

-102-

2𝜑2𝐻𝑏𝜉2/3

(4.9) → 𝑉𝑝 = √𝑔𝜑1

trong đó:

𝑉𝑝- Tốc độ sóng vỡ trên mái trực tiếp vào lớp gia cố (m/s);

𝐻𝑠= Hb - Chiều cao sóng vỡ trên mái đê (m), với mái dốc đê Nam Định, m=4 và

đặc điểm địa hình bãi chân đê, loại sóng vỡ trên mái đê dạng Surging có 𝐻𝑠= 0,77m;

𝜉 - Chỉ số sóng vỡ, 𝜉 = 2,5;

𝜑1 - Hệ số ổn định lớp gia cố loại mái nhẵn, chọn 𝜑1=0,6; 𝑑𝑏- Chiều sâu ảnh hưởng của bụng sóng (m)

𝑑𝑏 = 𝐻𝑠𝜉2/3 = 0,77 × 2, 52/3 = 1,032m;

ℎ𝑏 -Tổng chiều cao ảnh hưởng áp lực sóng

ℎ𝑏 = 𝐻𝑠 + 𝑑𝑏 = 0,77 + 1,032 = 1,80𝑚;

- Hệ số ổn định lớp gia cố khi chịu tác động của tổng chiều cao ảnh hưởng

1,80

áp lực sóng

1,032

ℎ𝑏 𝑑𝑏

= = 1,74. 𝜑2 =

Thay các thông số vào (4.9) tính được:

𝑉𝑝 = √9,81 × 0, 62 × 1,74 × 0,77 × 2, 52/3 = 2,1 𝑚/𝑠.

Công thức xác định tiêu chuẩn lớp gia cố bằng đá asphalt không bị đẩy cong, do

tác động của sóng tạo khối nước dư không tiêu thoát kịp [38]. Công thức (4.10).

𝐻𝑠 𝛥𝑑

𝜑 2/3 ≤ 𝜉𝑧

(4.10)

trong đó:

𝜉𝑧- chỉ số vỡ đối với sóng tác dụng trên mái đê, công thức (4.11).

1,25𝑇𝑧 √𝐻𝑏

(4.11) 𝜉𝑧 = 𝑡𝑎𝑛 𝛼

𝑇𝑧- chu kỳ sóng (s), 𝑇𝑧 = 5,132 𝑠;

𝛼 - góc nghiêng mái đê, với m = 4 thì tan𝛼 = 1/4; Hb - Độ cao sóng vỡ Hb = 0,77m.

1,25×5,132

Thay các thông số vào công thức (4.11) tính được:

√0,77

1,25𝑇𝑧 √𝐻𝑏

= × = 1,83 𝜉𝑧 = 𝑡𝑎𝑛 𝛼

-103-

𝜑 - Hệ số ổn định tổng thể

𝜌𝑎𝑠−𝜌𝑛 𝜌𝑛

𝛥 - Tỷ trọng vật liệu lớp gia cố, 𝛥 = = 1,25

d - Chiều dày lớp gia cố,

- Với chiều dày gia cố d = 0,3m

0,657

0,77

Thay các thông số vào công thức (4.10) ta có:

1,496

1,25×0,3

< ⇒ 0,439 < 2,05

- Với chiều dày gia cố d = 0,15m

0,657

0,77

Thay các thông số vào công thức (4.10) ta có:

1,496

1,25×0,15

< ⇒ 0,439 < 4,11

Kết luận: Cả hai trường hợp sóng dội vào lớp gia cố không bị đẩy cong cục bộ

do khối nước trong thân đê không tiêu thoát kịp.

4.2.3.2. Kiểm tra tính toán áp lực đẩy nổi, trượt

a - Xác định áp lực đẩy nổi

Mực nước thiết kế lớn nhất khi có sóng bão gây tràn, sau một khoảng thời gian

mực nước biển rút dần, mực nước ngầm trong thân đê gây ra áp lực đẩy nổi. Từ cao

trình 2,1 đến 4,7 mái đê được gia cố cấu kiện bê tông lục lăng có khả năng thoát nước

tốt. Từ cao trình 2,1 trở xuống mực nước triều thấp nhất, cần được xác định áp lực

đẩy nổi đối với lớp gia cố thử nghiệm, là loại vật liệu không thấm.

Áp lực đẩy nổi lớn nhất 𝜎wo theo sơ đồ hình 4.9 được xác định theo công thức

(4.12).

(4.12) 𝜎wo = 𝜌𝑤. 𝑔. (𝑝 + ℎ. 𝑐𝑜𝑠 𝛼)

trong đó:

𝜎wo - áp lực đẩy nổi lớn nhất (N/m2);

𝜌𝑤- khối lượng riêng của nước, 𝜌𝑤 = 1024 (kg/m3); g - gia tốc trọng trường, g = 9,81 m/s2;

p - độ chênh mực nước cao nhất tạo áp lực đẩy nổi. Độ chênh mực nước chính là

khoảng chênh cao giữa 2 hàng ống tiêu nước liền nhau. Với khoảng cách các hàng

-104-

ống trên mặt đê là 1m, mái đê m = 4 thì khoảng chênh cao sẽ là: p = 0,17m;

𝛼 - góc nghiêng mái phía biển, 𝛼 =140, cos 𝛼 = cos140 = 0,97;

h - chiều dày lớp gia cố (m).

- Với chiều dày gia cố h = 0,3m:

Thay số vào (4.11) ta có: 𝜎𝑤0 = 1024 × 9,81 × (0,17 + 0,3 × 0,97)= 4631 (N/m2).

- Với chiều dày gia cố h = 0,15m:

Thay số vào (4.11) ta có: 𝜎𝑤0 = 1024 × 9,81 × (0,17 + 0,15 × 0,97)= 3169 (N/m2)

Hình 4. 9- Sơ đồ áp lực đẩy nổi dưới đáy lớp gia cố asphalt [31]

b - Kiểm tra chiều dày thiết kế đảm bảo tiêu chuẩn trượt

+ Trương hợp chiều dày gia cố h = 0,3m

Ở vị trí áp lực đẩy nổi lớn nhất theo công thức (4.13).

𝜎𝑤0𝑓 𝜌𝑎𝑔(𝑓 𝑐𝑜𝑠 𝛼−𝑠𝑖𝑛 𝛼)

(4.13) ℎ ≥

trong đó:

h - chiều dày lớp gia cố (m);

𝜎𝑤0 - áp lực đẩy nổi lớn nhất, 𝜎𝑤0 = 4631 (N/m2); f - hệ số ma sát;

𝜃 - góc ma sát giữa đá hộc chèn asphalt và đất, chọn 𝜃 = 400;

𝜑 - góc ma sát trong của đất; theo tài liệu khảo sát địa chất tháng 5/2014 [10],

lớp 1 là đất thân đê có 𝜑 = 21o21’; nên 𝑓 = 𝑡𝑎𝑛 𝜃, f = tan 400= 0,839;

𝜌𝑎- khối lượng riêng của vật liệu gia cố 𝜌𝑎= 2300 (kg/m3); g - gia tốc trọng trường g =9,81 (m/s2);

-105-

𝛼 - góc nghiêng của mái đê (độ), với m = 4 có 𝛼 = 140, sin140 = 0,242.

4631×0,839

Thay số liệu vào công thức (4.13)

2300×9,81(0,839×0,97−0,242)

𝜎𝑤0𝑓 𝜌𝑎𝑔(𝑓 𝑐𝑜𝑠 𝛼−𝑠𝑖𝑛 𝛼)

ℎ ≥ = = 0,30𝑚

Vậy với độ dày lớp gia cố h = 0,3 m sẽ không bị trượt.

+ Trương hợp chiều dày gia cố h = 0,15m

𝜎𝑤0 - Áp lực đẩy nổi lớn nhất, 𝜎𝑤0 = 3169 (N/m2).

3169×16939

Thay số liệu vào công thức (4.13)

2300×3001(0,839×0,97−0,242)

𝜎𝑤0𝑓 𝜌𝑎𝑔(𝑓 𝑐𝑜𝑠 𝛼−𝑠𝑖𝑛 𝛼)

ℎ ≥ = = 0,21m

Vậy với độ dày lớp gia cố h = 0,15 m sẽ bị trượt.

c - Kiểm tra chiều dày thiết kế đảm bảo tiêu chuẩn đẩy nổi

+ Trương hợp chiều dày gia cố h = 0,3 m

Để lớp gia cố không bị đẩy nổi, trong trường hợp không có kết cấu chân đỡ (bất

lợi nhất), tiêu chuẩn không bị đẩy nổi theo công thức (4.14).

(4.14)

ℎ ≥

𝜎𝑤0 𝜌𝑎.𝑔.𝑐𝑜𝑠𝛼

trong đó:

𝜎𝑤0- áp lực đẩy nổi lớn nhất, 𝜎𝑤0= 4631 N/m2; 𝛼 - góc nghiêng của mái đê, với m = 4 có 𝛼 =140 , cos𝛼 = 0,970;

g - gia tốc trọng trường, g = 9.81 m/s2;

𝜌𝑎- khối lượng riêng của vật liệu lớp gia cố, 𝜌𝑎= 2300kg/m3.

Thay vào công thức (4.14):

ℎ ≥ = = 0,21 4631 2300𝑥9,81𝑥0,97 𝜎𝑤0 𝜌𝑎. 𝑔. 𝑐𝑜𝑠𝛼

Vậy với độ dày lớp gia cố h = 0,3 m mái đê sẽ không bị đẩy nổi.

+ Trương hợp chiều dầy gia cố h = 0,15m

Với áp lực đẩy nổi lớn nhất 𝜎𝑤0= 3169 N/m2. Thay vào công thức (4.14):

ℎ ≥ = = 0,14 3169 2300𝑥9,81𝑥0,97 𝜎𝑤0 𝜌𝑎. 𝑔. 𝑐𝑜𝑠𝛼

-106-

Vậy với độ dày lớp gia cố h = 0,15 m mái đê sẽ bị đẩy nổi.

Sau khi kiểm tra lại các điều kiện an toàn, xác định được chiều dày kết cấu lớp

gia cố bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, áp dụng cho đoạn đê thử

nghiệm ở Hải Hậu - Nam Định là h = 0,3m.

4.2.4. So sánh, đánh giá kết quả nghiên cứu

Chiều dày lớp gia cố mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá

hộc, được tính toán xác định theo hai phương pháp.

- Phương pháp tra biểu đồ, theo các nghiên cứu trước đây sử dụng [10], [31]

tính toán được chiều dày h = 0,15 m.

- Phương pháp sử dụng công thức giải tích, ứng dụng kết quả nghiên cứu của

luận án tính toán được chiều dày h = 0,3 m.

Kết quả tính toán kiểm tra an toàn lớp gia cố khi chịu tác động sóng dội vào và

kiểm tra điều kiện đẩy nổi, trượt thì chiều dày lớp gia cố h = 0,3 m đảm bảo các điều

kiện an toàn. Qua kết quả nghiên cứu tính toán, có thể nhận thấy việc xác định chiều

dày lớp gia cố bảo vệ mái đê biển bằng phương pháp tra biểu đồ như các nghiên cứu

đã áp dụng trước đây, có độ sai số lớn (h = 0,15 m) so với kết quả nghiên cứu của

luận án và giá trị thực tế trên mô hình (h = 0,3 m)[10]. Kết quả tính toán chiều dày

lớp gia cố bằng công thức giải tích, cho kết quả có độ chính xác cao (h = 0,3 m), đảm

bảo các điều kiểm kiểm tra an toàn và giá trị thực tế (h = 0,3 m).

Vì vậy có thể kết luận, kết quả nghiên cứu mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ

mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, sử dụng cho tính toán

xác định chiều dày kết cấu theo công thức giải tích là chính xác và phù hợp với kết

quả thực tế.

4.3. Ứng dụng kết quả nghiên cứu xác định chiều sâu thâm nhập so sách, đánh

giá với kết quả nghiên cứu của đề tài KHCN cấp nhà nước ĐTĐL.2012-T/06

4.3.1. Mô hình thi công thử nghiệm

Mô hình thử nghiệm của đề tài [10] có kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu

hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, cấu tạo chi tiết như hình 4.10.

Hệ thống thoát nước để chống áp lực đẩy nổi: Với chiều dày lớp kết cấu bảo vệ

mái h = 0,3 m. Kết quả kiểm tra điều kiện an toàn kết cấu bảo vệ chịu tác động sóng

-107-

dội vào cho thấy, lớp gia cố không bị đẩy cong do sóng đổ vào mái. Kết quả kiểm tra

áp lực đẩy nổi lớp gia cố đảm bảo an toàn. Tuy nhiên đây là mô hình thử nghiệm đầu

tiên áp dụng, để đảm bảo an toàn tuyệt đối, mô hình thử nghiệm thiết kế hệ thống tiêu

thoát nước như sau.

- Tầng lọc đá dăm dày = 0,15 m, phía trên, dưới được phủ bởi vải địa kỹ thuật.

Lớp vải địa kỹ thuật phía trên là loại vải dệt, chịu nhiệt cao đảm bảo không cho hỗn

hợp asphalt nóng xâm nhập tầng lọc.

- Hệ thống ống thoát nước với đường kính 36 mm, đặt so le và khoảng cách giữa

Hình 4. 10- Kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc [10]

các ống trên một hàng là 2,5 m.

+ Tổ chức thi công tại hiện trường

Do mặt bằng thi công hẹp, mặt đê rộng 5 m nên đề xuất phân làn các phương tiện

giao thông lưu thông trên mặt đê trong thời gian thi công.

Trạm trộn được đặt trên mặt đê. Vật tư tập kết gần trạm trộn và được nạp vào

trạm trộn bằng thủ công.

Phía trên đoạn đê thử nghiệm là mái đê cũ được yêu cầu giữ nguyên hiện trạng.

Nên quá trình thi công sẽ sử dụng máy đào gàu sấp, bánh lốp có dung tích gầu 0,7m3

để vận chuyển hỗn hợp asphalt.

Chia đoạn đê thi công thành 6 khối đổ từ 1 đến 6. Thi công cuốn chiếu từ 1 đến

6, từ dưới lên trên (hình 4.11). Quá trình thi công bám sát lịch thủy triều để tận dụng

thời gian chân triều thi công khu vực phía dưới.

-108-

Hình 4. 11- Sơ đồ bố trí tổng thể mặt bằng thi công [10]

+ Kiểm tra chất lượng thi công tại hiện trường

- Thí nghiệm các chỉ tiêu chất lượng của hỗn hợp asphalt.

Công tác thí nghiệm nhiệt độ, độ nhớt được thực hiện cho tất cả các mẻ trộn, công

tác thí nghiệm độ tách nhựa thực hiện 1 lần/ngày. Các kết quả thí nghiệm chất lượng

hỗn hợp asphalt được trình bày ở bảng 4.1.

Bảng 4. 1- Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu chất lượng của hỗn hợp asphalt [10]

Độ nhớt (Pa.s)

TT

Ký hiệu/ngày thí nghiệm

Nhiệt độ (0C)

Thí nghiệm

M2/4-6-2015

145

M5/5-6-2015

154

M3/6-6-2015

152

M5/7-6-2015

148

M4/8-6-2015

151

M2/9-6-2015

153

M3/10-6-2015

149

M1/11-6-2015

150

M2/12-6-2015

153

M6/13-6-2015

146

M5/14-6-2015

148

M4/15-6-2015

151

-109-

Chỉ tiêu thí nghiệm tại hiện trường về độ nhớt của hỗn hợp asphalt rót vào đá hộc

có giá trị từ 29 ÷ 45 Pa.s. Trong quá trình thi công, công tác kiểm soát chất lượng

luôn được thực hiện nghiêm ngặt.

Khả năng thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc được xác định trên

cơ sở thí nghiệm rút viên đá hộc để kiểm tra thông qua quan sát bằng mắt thường và

giá trị lực nhổ viên đá ≥ 50 [10].

- Thí nghiệm rút viên đá hộc

Bố trí thí nghiệm: Các điểm thí nghiệm được bố trí thành 02 hàng song song dọc

theo tuyến đê, hàng thứ nhất ở cao trình 0.0m, hàng thứ hai ở cao trình 1.5m. Trên

một hàng các điểm thí nghiệm bố trí cách nhau 10m, chi tiết như hình 4.12.

Hình 4. 12- Mặt bằng bố trí các điểm thí nghiệm rút viên đá [10]

Các viên đá được đánh số thứ tự từ 1 đến 10 và được gắn móc thép. Trước khi

xếp viên đá xuống vị trí thi công, tiến hành cân khối lượng của từng viên đá hộc. Ảnh

quá trình thí nghiệm hình 4.13.

Để hỗn hợp nguội đảm bảo nhiệt độ (27±2) oC, dùng kích thủy lực và hệ giá thép

hình để thực hiện thí nghiệm nhổ viên đá hộc với tốc độ tăng tải 500N/s theo phương

vuông góc với mặt nghiêng cho đến khi viên đá bị rút ra khỏi khối đổ, ghi lại giá trị

lực lớn nhất hiển thị trên đồng hồ của kích thủy lực (N) để làm cơ sở xác định khả

năng bám dính.

-110-

Hình 4. 13- Cân khối lượng viên đá hộc và thí nghiệm rút viên đá hộc [10]

Kết quả thí nghiệm rút viên đá tại hiện trường được trình bày trong bảng 4.2.

Bảng 4. 2- Kết quả thí nghiệm rút viên đá khỏi khối đổ tại hiện trường [10]

Kbd (PNmax/Gđh)

TT

Ký hiệu

Ghi chú

Thí nghiệm Quy định

Trọng lượng viên đá được rút Gđh (N)

Lực nhổ viên đá khỏi khối đổ, PNmax (N)

50,65

4850

95,8

Đạt

84,38

8065

95,6

Đạt

48,40

4760

98,3

Đạt

78,70

7250

92,1

Đạt

100,5

9010

89,7

Đạt

50,66

4770

94,2

Đạt

58,75

5240

89,2

Đạt

114,0

9350

82,0

Đạt

62,00

5680

91,6

Đạt

39,10

3940

100,8

Đạt

Kết quả thí nghiệm cho thấy tại các điểm thí nghiệm, lực nhổ viên đá đều vượt

yêu cầu đặt ra. Ngoài ra trong quá trính nhổ viên đá và quan sát phía dưới cho thấy

hỗn hợp asphalt đều lấp đầy khe rỗng giữa các viên đá hộc, chứng tỏ khả năng xâm

nhập tốt, chất lượng thi công đảm bảo.

4.3.2. So sánh đánh giá độ nhớt nghiên cứu của luận án với kết quả nghiên cứu

của đề tài KHCN cấp nhà nước ĐTĐL.2012-T/06

+ Giá trị độ nhớt xác định từ công thức quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn

hợp asphalt với kích thước đá hộc và độ nhớt hỗn hợp asphalt

-111-

Với chiều dày kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn

trong đá hộc tính toán h = 0,3 m. Đê biển có thiết kế mái nghiêng m = 4, ứng dụng

kết quả nghiên cứu công thức (3.3). Với h = 0,30 m chiều sâu thâm nhập l  0,31m

(kết cấu là mái nghiêng m = 4 → chiều thẳng đứng từ trên xuống  0,31m, hỗn hợp

asphalt thâm nhập hết chiều dày đá hộc 0,3 m). Với chiều sâu thâm nhập l  0,31m;

d = 20cm tra bảng 3.10 →  =40 Pa.s.

+ Giá trị độ nhớt từ kết quả nghiên cứu thử nghiệm của đề tài [10]

Kết quả nghiên cứu trên mô hình thử nghiệm của đề tài [10], có giá trị độ nhớt

của hỗn hợp asphalt là: ƞ = 29 ÷ 45 Pa.s.

+ Đánh giá kết quả nghiên cứu của luận án và kết quả nghiên cứu của đề tài [10]

Giá trị độ nhớt yêu cầu của hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, xác định được

thông qua kết quả nghiên cứu, công thức (3.3) là ƞ= 40 Pa.s nằm trong khoảng giá trị

độ nhớt trên mô hình thử nghiệm của đề tài [10] ƞ = 29 ÷ 45 Pa.s. Do vậy, giá trị độ

nhớt tìm được từ kết quả nghiên cứu của luận án hoàn toàn có thể sử dụng cho thiết

kế cấp phối hỗn hợp và kiểm soát quá trình thi công.

Thông qua kết quả so sánh đánh giá ở trên, có thể kết luận giá trị độ nhớt xác

định thông qua công thức (3.3) là rất thuận lợi cho người sử dụng (do không phải tiến

hành thí nghiệm nhiều lần để tìm được giá trị tối ưu, mất rất nhiều thời gian và chi

phí), giá trị độ nhớt tìm được phù hợp với giá trị thực tế đã triển khai ngoài hiện

trường.

4.4. Kết luận chương 4

Đoạn đê thi công thử nghiệm đê biển Hải Hậu - Nam Định [10], là mô hình thí

nghiệm mô đun đàn hồi hiện trường, phục vụ cho nghiên cứu xác định mô đun đàn

hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển.

Mô hình thi công thử nghiệm [10] cũng là cơ sở để so sánh, đánh giá kết quả

nghiên cứu xác định chiều sâu thâm nhập và mô đun đàn hồi của luận án, qua so sánh

đánh giá cho thấy:

- So sánh kết quả nghiên cứu, tính toán chiều dày lớp kết cấu bảo vệ mái của đề

tài [10] trên mô hình thử nghiệm với kết quả nghiên cứu, tính toán chiều dày theo

-112-

công thức giải tích của luận án. Từ đó đánh giá được kết quả nghiên cứu xác định mô

đun đàn hồi để tính toán chiều dày kết cấu là phù hợp với thực tế.

- Kết quả nghiên cứu xác định chiều sâu thâm nhập và độ nhớt của hỗn hợp

asphalt của luận án, so sánh, đánh giá với kết quả nghiên cứu về độ nhớt trên mô hình

thử nghiệm của [10], cũng khẳng định kết quả nghiên cứu hoàn toàn phù hợp với thực

tế.

-113-

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

1. Kết luận:

Kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc đã

được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới, đặc biệt là Hà Lan. Qua nghiên cứu cho

thấy tính khả thi và sự phù hợp của nó với đê biển ở Việt Nam. Trong phạm vi nghiên

cứu đã đưa ra những đóng góp mới về khoa học, với kết cấu bảo vệ mái đê biển là

loại đá hộc có sử dụng hỗn hợp asphalt bao bọc là:

- Nghiên cứu những yếu tố ảnh hưởng, xây dựng phương pháp luận và thiết lập

mối quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc và

độ nhớt hỗn hợp asphalt thông qua công thức thực nghiệm xác định chiều sâu thâm

nhập:

ℓ = 19,37 + 0,342 d - 0,333 η - 0,015 d η + 0,064 d2 + 0,003 η

Quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc và

độ nhớt hỗn hợp asphalt, còn được thể hiện qua hệ thống biểu đồ và bảng tra. Theo

đó xác định được chiều sâu thâm nhập, độ nhớt yêu cầu của hỗn hợp asphalt để tính

toán cấp phối và kiểm soát quá trình thi công.

- Đề xuất được mô hình thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng và hiện trường

của kết cấu bảo vệ mái đê biển. Xây dựng phương pháp luận và thiết lập quan hệ giữa

mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển ở trong phòng thí nghiệm và hiện

trường theo công thức:

Eht = 1,061 Etp

Qua đó xác định được mô đun đàn hồi, để kiểm định và tính toán thiết kế chiều

dày kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng công thức giải tích (1.8).

- Kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng để tính toán, kiểm chứng trên công trình

thử nghiệm tại Hải Hậu, Nam Định cho kết quả phù hợp với thực tiễn.

2. Những tồn tại, hạn chế.

Trong khuôn khổ của luận án, tác giả mới chỉ nghiên cứu được loại kết cấu bảo

vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, sử dụng cho dạng

-114-

mái nghiêng m = 3 ÷ 4 đê phía biển, với loại vật liệu đá hộc có nguồn gốc đá vôi khai

thác ở Ninh Bình, được sử dụng phổ biến trong xây dựng mái đê biển khu vực các

tỉnh phía Bắc.

3. Kiến nghị

Đối với hình dạng mặt cắt đê biển: Tiếp tục nghiên cứu với các mặt cắt đê biển

có mái nghiêng ngoài phạm vi m = 3 ÷ 4, để mở rộng khả năng ứng dụng đa dạng cho

hầu hết các tuyến đê biển xây dựng trên cả nước.

Với vật liệu đá hộc sử dụng bảo vệ mái đê biển: Mở rộng phạm vi nghiên cứu

đối với những loại vật liệu đá hộc có nguồn gốc khác, được khai thác ở nhiều vùng

miền trên cả nước, để thuận lợi cho việc sử dụng những loại vật liệu này trong kết

cấu bảo vệ mái đê biển.

Vật liệu hỗn hợp asphalt sử dụng cho kết cấu bảo vệ mái đê biển, lần đầu tiên

được áp dụng trên mô hình thử nghiệm ở Việt Nam. Cần tiếp tục có nghiên cứu đánh

giá tính bền của loại vật liệu này theo thời gian.

-115-

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

1. Nguyễn Thanh Bằng, Nguyễn Mạnh Trường, Vũ Xuân Thủy (2015) “Một số

kết quả tính toán kết cấu lớp gia cố mái đê biển sử dụng vật liệu hỗn hợp Asphalt

chèn trong đã hộc tại đê biển Cồn Tròn - Hải Thịnh, Hải Hậu, Nam Định”, Tạp chí

Khoa học và công nghệ Thủy lợi (ISSN:1859-4255), số 26 tháng 04-2015, tr. 21-29.

2. Nguyễn Mạnh Trường, Đinh Anh Tuấn (2017), “Khả năng ứng dụng kết cấu

mái đê biển Việt Nam bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc”, Tạp chí Tài

nguyên nước (ISSN:1859-3771), số 01 tháng 01-2017, tr. 36-46.

3. Nguyễn Mạnh Trường (2019), “Nghiên cứu phương pháp xác định mô đun

đàn hồi của vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc cho kết cấu bảo vệ mái đê

biển”, Tạp chí Khoa học và công nghệ Thủy lợi (ISSN:1859-4255), số 52 tháng 01-

2019, tr. 65-75.

4. Nguyễn Mạnh Trường (2019), “Nghiên cứu quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập

với kích thước đá hộc và độ nhớt của vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc cho

kết cấu bảo vệ mái đê biển”, Tạp chí Khoa học và công nghệ Thủy lợi (ISSN:1859-

4255), số 53 tháng 04-2019, tr. 52-63.

-116-

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng việt:

1. Bộ GTVT (2006), 22TCN 211-06: Áo đường mềm - Các yêu cầu và chỉ dẫn thiết

kế, Hà Nội.

2. Bộ KHCN (2011), TCVN 8819:2011- Mặt đường bê tông nhựa nóng - Yêu cầu

thi công và nghiệm thu, Hà Nội.

3. Bộ KHCN (2011), TCVN 8820:2011- Hỗn hợp bê tông nhựa nóng - Thiết kế theo

phương pháp Marshall, Hà Nội.

4. Bộ KHCN (2011), TCVN 8860:2011 - Bê tông nhựa - Phương pháp thử, Hà Nội.

5. Bộ KHCN (2011), TCVN 8861:2011 - Áo đường mềm - Xác định mô đun đàn hồi

bằng tấm ép cứng, Hà Nội.

6. Bộ KHCN (2011), TCVN 8867:2011 - Áo đường mềm - Xác định mô đun đàn hồi

bằng cần đo võng Benkelman, Hà Nội.

7. Bộ KHCN (2014), TCVN 9901:2014 - Công trình thủy lợi yêu cầu thiết kế đê

biển, Hà Nội.

8. Bộ KHCN, Trường ĐHTL (2010), Nghiên cứu cơ sở khoa học và đề xuất các

giải pháp KHCN đảm bảo sự ổn định và độ bền của đê biển hiện có trong trường

hợp sóng, triều cường tràn đê, Đề tài KC 08-15/06-10, Hà Nội.

9. Bộ KHCN, Trường ĐHTL (2014), Nghiên cứu hoàn thiện công nghệ mới trong

gia cố đê biển bằng phương pháp neo đất, sử dụng phụ gia consolid và chống xói

mòn lớp bảo vệ mái, Đề tài KC 08 11-15, Hà Nội.

10. Bộ KHCN, Viện KHTL Việt Nam (2016), Nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp

để gia cố đê biển chịu được nước tràn qua do sóng, triều cường, bão và nước

biển dâng, Đề tài NCKH cấp nhà nước, mã số ĐTĐL.2012-T/06, Hà Nội.

11. Bộ NN&PTNT, Trường ĐHTL (2009), Nghiên cứu đề xuất mặt cắt ngang đê

biển hợp lý và phù hợp với điều kiện từng vùng từ Quảng Ninh đến Quảng Nam,

Đề tài NCKH cấp bộ, Hà Nội.

-117-

12. Bộ NN&PTNT, Viện KHTL Việt Nam (2009), Nghiên cứu giải pháp khoa học

công nghệ xây dựng đê biển chống được bão cấp 12, triều cường, Đề tài KHCN

cấp Bộ, Hà Nội.

13. Nguyễn Cảnh (2000), Quy hoạch thực nghiệm, NXB Giáo dục, Hà Nội.

14. Vũ Đức Chính và nnk (2009), Sổ tay thiết kế hỗn hợp bê tông nhựa theo phương

pháp Marshall, NXB Khoa học kỹ thuật, Hà Nội.

15. Trần Thị Kim Đăng (2004), Nghiên cứu mô đun đàn hồi của Bê tông asphalt làm

mặt đường ô tô xét đến điều kiện chịu tải trọng thực tế, Luận án TSKT, Trường

đại học GTVT, Hà Nội

16. Phạm Duy Hữu và nnk (2008), Bê tông asphalt, NXB Giao thông vận tải, Hà nội.

17. Shell Bitumen UK (1990), Cẩm nang bitum shell trong xây dựng công trình giao

thông, NXB Giao thông vận tải, Hà Nội.

18. Trường Đại học Thủy lợi (2006), Bài giảng thiết kế đê và công trình bảo vệ bờ,

NXB từ điển bách khoa, Hà Nội.

19. Trường Đại học Thủy lợi (2006), Giáo trình Vật liệu Xây dựng, NXB xây dựng,

Hà Nội.

20. Nguyễn Văn Tuấn (2006), Phân tích số liệu và biểu đồ bằng R, NXB Đại học

Bách khoa Thành phố Hồ Chí Minh, Hồ Chí Minh.

Tiếng anh:

21. A.Burger, R.E.Kerkhoven (1951), The use of asphaltic bitumen for the

construction of dykes in the Netherlands,

22. A.Fuhrboter, U.Sparboom (1988), Full-scale wave attack of uniformly sloping

sea dykes, Malaga Spain.

23. Amjad H. Albayati (2012), “Mechanistic Evaluation of Lime-Modified Asphalt

Concrete Mixtures”, A. Scarpas et al. (Eds.), 7th RILEM International

Conference on Cracking in Pavements, pp 92-940.

-118-

24. Ciria, Cur, Cetmef (2007), The Rock Manual- The use of rock in hydraulic

engineering (2nd edition), London.

25. Cope, D L (1982), “Construction and experience of asphalt based track on British

raitways”, Proceedings of the second Eurobitume symposium, Cannes, pp 241-

244.

26. Dr-ing.A.Bieberstein, Dipl-ing.J.Queicer, Dipl-ing.H.Worsching (2004), Open

Stone Asphalt - A Revetment for Dams and Embankments designed

for Overtopping, University of Karlsruhe, Germany.

27. EurOtop (2007), Wave Overtopping of Sea Defences and Related Structures,

Assessment Manual, Environment Agency UK/Expertise Netwerk Waterkeren

NL/Kuratorium fur Forschung im Kusteningenieurswesen DE.

28. H. P. Pfiffner, H. Hock (2003), Asphalt Hydraulic Engineering, Walo

Bertschinger Ltd, Zurich Switzerland.

29. H. J. Verhagen, J.P. van den Bos (Ed.) (2017), Breakwater design - Lecture notes

CIE5308, Delft University of Technology.

30. Ir. A. J. Woestenenk (1973), Use of asphalt for slope protection on earth and

rockfill dams , Commission internationale des grands barrages, Madrid.

31. Ir. P. A. van de Velde (1984), The use of asphalt in hydraulic engineering,

Rijkswaterstaat Communication, The Hague Netherlands.

32. Krystan W. Pilarczyk (1988), Dimensioning Aspects of Coastal protection

structrues dikes and revetments. Appendix B Unification of the stability criteria

for revetments, The Nethelands.

33. Mark Klein Breteler, Hans Johanson, Theo Stoutjesdijk, Robert't Hart (2002),

Stabily of placed basalt revetments with asphalt grouting, 28th International

Conference on Coastal Engineering, Cardiff, UK.

34. M. P. Davidse (2009), Background and Literature review Wave impact on

asphaltic concrete revetments, Master Thesis Literature Review , Delft

University of Technology.

-119-

35. Nelson, P M and Ross, N F (1981), Noise from vehicles running on open tuxtured

road surfaces, Transport and Road Research Laboratory, Report LR 696.

36. R. E. Kerkhoven (1965), Recent develoments in asphalt techniques for hydraulic

applications in the netherlands, Koninklijke/Shell-Laboratorium, Amsterdam.

37. Rijkswaterstaat communications (1977), Asphalt revetment of dyke slopes,

Government Publishing Office - The Hague.

38. Sabey, B E (1973), Accidents: their cost and relation to surface characteristics,

Paper presented to the symposium on safety and the concrete road surface and

design, specification and construction.

39. SHRP A-003A-89-3 (1990), Summary report on fatigue response of asphalt

mixtures, Institute of Transportation Studies, University of California

Berkeley, California.

40. Technical Guideline (2007), The use of Modied Bituminous Binders in Road

Construction, Asphalt Academy.

41. The Asphalt Institute (1988), Mix design methods for asphalt concrete and other

hot-mix types, Manual series No 2.

42. Vereniging voor Bitumineuze Werken (1980), Asphalt in Roads and Hydraulic

Structures, Breukelen.

-120-

PHỤ LỤC Phụ lục 1: Tính toán mô đun đàn hồi hiện trường của lớp kết cấu bảo vệ mái đê

biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

Chi tiết kết cấu mái đê biển bao gồm các lớp từ trên xuống gồm:

- Lớp 1: lớp kết cấu bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc dày 30cm,

lót phía dưới lớp vải địa kỹ thuật dạng không dệt

- Lớp 2: lớp lọc bằng đá dăm 1x2cm dày 15cm, lót phía dưới lớp vải địa kỹ

thuật dạng dệt.

- Lớp 3: Đất đắp thân đê

Ký hiệu mô đun đàn hồi các lớp như sau:

Ech - Mô đun đàn hồi chung

Eo - Mô đun đàn hồi đất nền.

E1 - Mô đun đàn hồi lớp đá dăm lót

E2 - Mô đun đàn hồi lớp kết cấu vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

Etb - Mô đun đàn hồi của lớp kết cấu phía trên nền đất (gồm lớp đá dăm lót và

lớp vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc)

Trình tự tính toán mô đun đàn hồi lớp kết cấu vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong

đá hộc E2 theo các bước sau:

* Bước 1: Mô hình tính toán theo phương pháp tính toán mô đun đàn hồi chung

hệ 2 lớp, khi đó 2 lớp tính toán gồm lớp nền đê có mô đun đàn hồi Eo và lớp kết cấu

bề mặt ( bao gồm lớp đá dăm lót và lớp asphalt chèn trong đá hộc) có mô đun đàn hồi

Etb , hình PL1.1

Hình PL1.1-Sơ đồ tính mô đun đàn hồi chung Ech

Theo phương pháp tính toán mô đun đàn hồi chung của hệ hai lớp Ech (22-TCN

- 211 - 06 Áo đường mềm). Căn cứ toán đồ hình 3-1: Toán đồ để xác định mô đun

đàn hồi chung của hệ 2 lớp Ech . Khi biết giá trị Ech , Eo tính được Etb

* Bước 2: Sau khi tính được mô đun đàn hồi chung Etb của lớp kết cấu phía trên

nền đất bao gồm 2 lớp là đá dăm lót và vật liệu asphalt chèn trong đá hộc, sử dụng

mô hình tính toán mô đun đàn hồi hệ 3 lớp về hệ 2 lớp, hình PL1.2

-121-

Hình PL1.2- Sơ đồ đổi hệ 3 lớp về hệ 2 lớp

Khi biết Etb , E1 tìm ra được E2 theo công thức xác định mô đun đàn hồi chung

1 3⁄

bình Etb , công thức (PL.1):

tb = E1[1+𝑘.𝑡 1+𝑘

] E’ (PL.1)

Trong đó: k =h2/h1; t =E2/E1 với h2 và h1 là chiều dày lớp trên và lớp dưới; E2 và

E1 là mô đun đàn hồi của vật liệu lớp trên và lớp dưới.

Sau khi quy đổi hệ 3 lớp về 2 lớp thì cần nhân thêm với Etb một hệ số điều chỉnh

dc = . E’

, công thức (PL.2).

tb với  =1,114.(H/D)0,12 (PL.2)

Etb

Kết quả tính toán E2 tương ứng với các giá trị đo Ech tại các điểm đo trên mô hình

như các bảng PL1.1, bảng PL1.2, bảng PL1.3, bảng PL1.4, bảng PL1.5 sau:

Bảng PL1.1- Kết quả tính toán mô đun đàn hồi E2 của lớp kết cấu vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc tương ứng với khoảng nhiệt độ 14,90C ÷ 16,60C

Mô đun đàn hồi (MPa)

TT Điểm đo

Ech H/D Eo Ech/Etb

dc Etb

dc

E1

E2

Nhiệt độ (ºC)

1 HT - 01 15,6 166,8 1,36 76,4

248,9

Etb= dc/ꞵ Etb 215,3

250 199,2

0,67

2 HT - 02 16,2 158,9 1,36 76,4

233,7

202,1

250 180,7

0,68

3 HT - 03 15,0 168,0 1,36 76,4

254,6

220,2

250 206,3

0,66

4 HT - 04 15,1 149,8 1,36 76,4

0,685

218,7

189,1

250 162,8

5 HT - 05 15,5 165,4 1,36 76,4

0,67

246,9

213,6

250 196,8

6 HT - 06 15,0 174,7 1,36 76,4

0,655

266,7

230,7

250 221,5

7 HT - 07 16,6 159,7 1,36 76,4

234,8

203,1

250 182,0

0,68

8 HT - 08 15,0 163,6 1,36 76,4

240,6

208,2

250 189,1

0,68

9 HT - 09 15,6 158,8 1,36 76,4

233,5

202,0

250 180,5

0,68

10 HT - 10 15,7 170,2 1,36 76,4

258,0

223,1

250 210,5

0,66

11 HT - 11 14,9 197,1 1,36 76,4

0,655

300,9

260,3

250 265,5

12 HT - 12 15,1 169,6 1,36 76,4

0,66

256,9

222,3

250 209,2

-122-

Bảng PL1.2- Kết quả tính toán mô đun đàn hồi E2 của lớp kết cấu vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc tương ứng với khoảng nhiệt độ 19,50C ÷ 22,30C

Mô đun đàn hồi (MPa)

TT Điểm đo

Ech H/D Eo Ech/Etb

dc Etb

dc

E1

E2

Nhiệt độ (ºC)

1 HT - 01 20,3 155,0 1,36 76,4

0,695

222,9

Etb= dc/ꞵ Etb 192,9

250 167,9

2 HT - 02 22,1 152,0 1,36 76,4

0,71

214,1

185,2

250 157,5

3 HT - 03 20,5 146,2 1,36 76,4

0,717

203,9

176,4

250 145,7

4 HT - 04 19,8 161,7 1,36 76,4

0,68

237,9

205,8

250 185,7

5 HT - 05 21,2 155,0 1,36 76,4

0,702

220,9

191,1

250 165,4

6 HT - 06 22,0 146,7 1,36 76,4

0,717

204,6

177,0

250 146,5

7 HT - 07 20,6 151,6 1,36 76,4

0,702

215,9

186,8

250 159,7

8 HT - 08 19,5 156,4 1,36 76,4

0,695

225,0

194,6

250 170,3

9 HT - 09 21,7 154,7 1,36 76,4

0,695

222,6

192,6

250 167,5

10 HT - 10 20,0 163,1 1,36 76,4

0,67

243,4

210,6

250 192,5

11 HT - 11 22,3 147,7 1,36 76,4

0,726

203,4

175,9

250 145,1

12 HT - 12 21,8 149,4 1,36 76,4

0,717

208,4

180,3

250 150,9

Bảng PL1.3- Kết quả tính toán mô đun đàn hồi E2 của lớp kết cấu vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc tương ứng với khoảng nhiệt độ 23,00C ÷ 27,00C

Mô đun đàn hồi (MPa)

TT Điểm đo

Ech H/D Eo Ech/Etb

dc Etb

dc

E1

E2

Nhiệt độ (ºC)

Etb= dc/ꞵ Etb 179,6

1 HT - 01 25,5 148,9 1,36 76,4

0,717

207,6

250 150,0

2 HT - 02 27,0 141,1 1,36 76,4

0,74

190,6

164,9

250 130,8

3 HT - 03 25,9 139,3 1,36 76,4

0,746

186,8

161,6

250 126,5

4 HT - 04 24,7 152,5 1,36 76,4

0,71

214,8

185,8

250 158,3

5 HT - 05 24,5 145,6 1,36 76,4

0,726

200,5

173,5

250 141,9

6 HT - 06 25,0 145,9 1,36 76,4

0,726

201,0

173,9

250 142,5

7 HT - 07 26,9 139,7 1,36 76,4

188,8

163,4

250 128,8

0,74

8 HT - 08 25,0 144,5 1,36 76,4

197,9

171,2

250 138,9

0,73

9 HT - 09 26,1 150,3 1,36 76,4

0,717

209,7

181,4

250 152,4

10 HT - 10 23,0 160,2 1,36 76,4

0,702

228,2

197,4

250 174,1

11 HT - 11 26,1 145,4 1,36 76,4

0,726

200,3

173,3

250 141,7

12 HT - 12 25,5 142,5 1,36 76,4

0,73

195,2

168,9

250 135,9

-123-

BảngPL1.4- Kết quả tính toán mô đun đàn hồi E2 của lớp kết cấu vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc tương ứng với khoảng nhiệt độ 29,50C ÷ 32,10C

Mô đun đàn hồi (MPa)

TT Điểm đo

Ech H/D Eo Ech/Etb

dc Etb

dc

E1

E2

Nhiệt độ (ºC)

Etb= dc/ꞵ Etb 161,8

1 HT - 01 30,6 139,6 1,36 76,4

0,746

187,1

250

126,8

2 HT - 02 32,1 127,7 1,36 76,4

0,767

166,5

144,0

250

104,7

3 HT - 03 30,2 135,3 1,36 76,4

0,75

180,4

156,1

250

119,5

4 HT - 04 29,5 135,5 1,36 76,4

0,755

179,5

155,3

250

118,5

5 HT - 05 30,0 131,2 1,36 76,4

0,767

171,0

148,0

250

109,5

6 HT - 06 30,7 139,5 1,36 76,4

0,746

187,0

161,8

250

126,8

7 HT - 07 31,6 130,6 1,36 76,4

0,76

171,9

148,7

250

110,4

8 HT - 08 30,3 130,4 1,36 76,4

0,767

170,0

147,0

250

108,4

9 HT - 09 29,9 142,0 1,36 76,4

0,73

194,5

168,3

250

135,1

10 HT - 10 31,4 125,7 1,36 76,4

0,785

160,1

138,5

250

98,1

11 HT - 11 30,0 144,6 1,36 76,4

0,73

198,1

171,3

250

139,1

12 HT - 12 30,8 133,1 1,36 76,4

0,755

176,2

152,4

250

115,0

Bảng PL1.5- Kết quả tính toán mô đun đàn hồi E2 của lớp kết cấu vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc tương ứng với khoảng nhiệt độ 34,50C ÷ 38,00C