Tóm tắt Luận án Tiến sĩ Kỹ thuật: Nghiên cứu cơ sở khoa học đề xuất kết cấu mặt đê đảm bảo chống lũ và kết hợp giao thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI

ĐẶNG CÔNG HƯỞNG

NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỀ XUẤT KẾT CẤU

MẶT ĐÊ ĐẢM BẢO CHỐNG LŨ VÀ KẾT HỢP GIAO THÔNG

Chuyên ngành : Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

Mã số : 62580202

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI, NĂM 2017

Công trình được hoàn thành tại Trường Đại học Thủy lợi

Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS. Nguyễn Hữu Huế

Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS. Lê Kim Truyền

Phản biện 1: PGS.TSKH. Bạch Đình Thiên

Phản biện 2: GS.TS. Nguyễn Chiến

Phản biện 3: PGS.TS. Nguyễn Thanh Bằng

Luận án sẽ được bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp tại ..............................,

Trường Đại học Thủy lợi và lúc ... giờ, ngày ... tháng ... năm 2018.

Có thể tìm hiểu Luận án tại:

- Thư viện Quốc gia

- Thư viện Trường Đại học Thủy lợi

MỞ ĐẦU

1. Tính cấp thiết của đề tài

Hệ thống đê sông Việt Nam có lịch sử hình thành và phát triển lâu đời qua các

thời kỳ, đặc điểm của các tuyến đê sông là: thân đê được đắp bằng nhiều loại

đất khác nhau, không đảm bảo tính đồng nhất; nền đê không được xử lý theo

quy định trước khi đắp. Ngày nay, trước nhu cầu phát triển của kinh tế, xã hội

đã có nhiều tuyến đê sông được quy hoạch sử dụng làm đường giao thông, đây

là xu thế tất yếu. Trước thực tế đó, cần có những nghiên cứu tìm ra giải pháp

tăng cường khả năng chịu lực của thân đê hiện hữu nhằm vừa đảm bảo an toàn

chống lũ đồng thời đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của một tuyến đường giao

thông là thực sự cần thiết. Mặt khác, tro bay tuy là phế thải của ngành điện

nhưng sử dụng được trong nhiều lĩnh vực sản xuất vật liệu khác nhau. Trước

đây, đã có những nghiên cứu sử dụng tro bay để sản xuất vật liệu xây dựng, chủ

yếu trong xi măng đã góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đem lại hiệu

quả kinh tế nhất định. Ở Việt Nam và trên thế giới chưa có nghiên cứu cụ thể

nào về việc sử dụng lại lớp đất thân đê yếu để xử lý đảm bảo yêu cầu kỹ thuật

của lớp nền thượng khi kết hợp giao thông. Trong đề tài này, tác giả tập trung

nghiên cứu giải pháp tăng cường độ ổn định của đất thân đê đóng vai trò là lớp

nền thượng trong phạm vi chịu tác dụng của tải trọng giao thông trên đỉnh đê

và nghiên cứu giải pháp gia cố lớp móng trong kết cấu áo mặt đường đê khi kết

hợp giao thông. Từ đó đề xuất kết cấu mặt đường đê thích hợp đảm bảo chống

lũ và kết hợp giao thông.

2. Mục đích nghiên cứu

- Xây dựng được cơ sở khoa học để lựa chọn kết cấu mặt đê đảm bảo chống lũ

và kết hợp giao thông;

- Xây dựng cơ sở khoa học để gia cố đất thân đê hiện trạng, cấp phối đá dăm

với chất kết dính để tăng cường độ và độ ổn định.

1

3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

3.1. Đối tượng nghiên cứu

- Các tuyến đê sông, trọng tâm là tuyến đê sông có kết hợp giao thông của tỉnh

Bắc Ninh;

- Chất thải công nghiệp cụ thể là tro bay của các nhà máy nhiệt điện.

3.2. Phạm vi nghiên cứu

- Lớp đất thân đê khi kết hợp giao thông (chiều sâu 0,9÷1,3m) từ mặt đê trở

xuống;

- Áp dụng cho hệ thống đê sông tỉnh Bắc Ninh và thử nghiệm cho đê hữu Đuống.

4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu

4.1. Cách tiếp cận

- Tiếp cận từ thực tế khi đầu tư xây dựng, cải tạo, nâng cấp các tuyến đê sông;

- Tiếp cận các lý thuyết, thực nghiệm về nâng cao khả năng chịu lực của vật

liệu đất và cấp phối đá dăm.

4.2. Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết;

- Phương pháp khảo sát, điều tra;

- Phương pháp sử dụng các lý thuyết toán học thống kê xác xuất;

- Phương pháp thực nghiệm trong phòng và hiện trường.

5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án

- Ý nghĩa khoa học: Luận án đã đóng góp mới về cơ sở khoa học để xây dựng

kết cấu mặt đê bảo đảm yêu cầu kết hợp giao thông, bổ sung phát triển khoa học

trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng.

- Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài đã đề xuất được kết cấu mặt đê vừa đảm bảo chống

lũ, vừa đáp ứng tiêu chuẩn đường giao thông cấp III.

6. Cấu trúc luận án

Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm có 4 chương:

2

Chương 1: Tổng quan về hệ thống đê sông kết hợp giao thông

Chương 2: Cơ sở khoa học để cải thiện đất thân đê đảm bảo yêu cầu chống lũ

và kết hợp giao thông

Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các giải pháp gia cố đê kết hợp

làm đường giao thông Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu cho đê hữu Đuống, tỉnh Bắc Ninh

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÊ SÔNG KẾT HỢP GIAO THÔNG

1.1 Lịch sử hình thành và phát triển hệ thống đê sông

Trên thế giới, những tuyến đê đầu tiên được hình thành từ rất xa xưa. Mục đích

chính của các tuyến đê nhân tạo là tạo nên một phòng tuyến ngăn chặn lũ lụt

bảo vệ các vùng dân cư hoặc đồng ruộng trũng. Tại Hà Lan, do đa số lãnh thổ

của đất nước này thấp hơn mực nước biển, những con đê được xây dựng sớm

nhất vào khoảng thế kỷ 11 và ngày càng được mở rộng. Ở Mỹ, hệ thống đê nổi

tiếng được xây dựng dọc theo sông Mississippi và Sacramento. Ở Nhật Bản,

các dự án siêu đê được xây dựng từ những năm 1987 dọc theo các con sông lớn

ở Kyoto và Osaka như Tonegawa, Edogawa, Arakawa, Tamagawa, Yodogawa

và Yamatogawa.

Trong những buổi đầu sơ khai của tổ tiên ta, người Việt cổ đã bắt đầu nghĩ đến

việc đắp bờ khoanh vùng giữ nước và chống ngập trong mùa lũ. Dần dần, những

bờ vùng được mở rộng và đắp cao thêm, từ đây những con đê đầu tiên được

hình thành. Theo thời gian cùng với kinh nghiệm chống lũ tích lũy trong quá

trình sản xuất, các tuyến đê ngày càng được tôn cao, mở rộng, nối dài thêm.

Hiện tại, tổng số chiều dài hệ thống đê sông trong vùng đồng bằng sông Hồng

là 3.000km, gồm 2.417km đê thuộc Bắc Bộ, và 420km ở các sông vùng Thanh

- Nghệ. Hệ thống sông Hồng có 1.667km đê và 750km đê thuộc hệ thống sông

Thái Bình.

3

1.2 Hệ thống đê sông tỉnh Bắc Ninh

1.2.1 Quy định về tiêu chuẩn phòng lũ đối với các tuyến đê sông tỉnh Bắc Ninh

Tiêu chuẩn phòng lũ cho các tuyến đê thuộc tỉnh Bắc Ninh được quy định tại

Quyết định số 257/QĐ-TTg ngày 18/02/2016 của Thủ tướng chính phủ về việc

Phê duyệt Quy hoạch phòng chống lũ và quy hoạch đê điều hệ thống sông Hồng,

sông Thái Bình. Theo đó, tần suất đảm bảo chống lũ thiết kế cho tuyến đê sông

Đuống và sông Thái Bình thuộc địa bàn Bắc Ninh (nằm ngoài khu vực đô thị

trung tâm Hà Nội) là P = 0,33% tương ứng với chu kỳ 300 năm. Các tuyến đê

khác như đê sông Cầu và sông Cà Lồ có tần suất bảo đảm chống lũ thiết kế P =

2%, tương ứng chu kỳ 50 năm.

1.2.2 Quy hoạch hệ thống đê sông kết hợp làm đường giao thông tỉnh Bắc Ninh

Một số tuyến đê trên địa bàn tỉnh Bắc Ninh đã được quy hoạch (một phần hoặc

toàn bộ chiều dài) làm đường giao thông và thực tế đã gánh vác nhiệm vụ giao

thông trong nhiều năm qua như tuyến đê: hữu sông Đuống, tả sông Đuống, hữu

sông Thái Bình, hữu sông Cầu,… Cụ thể, các tuyến đường liên tỉnh như ĐT276;

ĐT283; ĐT291; ĐT280 thuộc tuyến đê tả và hữu sông Đuống đã được quy

hoạch giao thông tương ứng với quy mô đường cấp IV đồng bằng.

1.3 Các nghiên cứu trong nước và ngoài nước về đê kết hợp giao thông

1.3.1 Nghiên cứu ở trong nước

Tác giả Phan Khánh đã chỉ ra một số giai đoạn chính trong đó có thể kể đến giai

đoạn gắn với các triều đại phong kiến, giai đoạn chiến tranh và giai đoạn sau

đổi mới. Ngày 25/06/1962, Phủ Thủ tướng Nước Việt Nam Dân Chủ Cộng Hòa

đã ban hành Thông tư số 68-TTg về việc Phối hợp công tác giữa hai ngành giao

thông và thủy lợi. Nghiên cứu về đê đa mục tiêu đầu tiên được tiến hành bài bản

là của V.M.Bezruk và A.X.Elenovits, việc nghiên cứu khai thác tổng thể dòng

sông Hồng qua địa phận Hà Nội với mục đích phát triển bền vững, khai thác tối

đa quỹ đất ven sông cũng như các yêu cầu về an toàn của công trình đê đã được

4

đề cập. Nghiên cứu về đặc điểm địa chất công trình nền đê sông Hồng của tác

giả Trần Văn Tư.

1.3.2 Nghiên cứu của nước ngoài

Việc nghiên cứu đê để sử dụng cho mục đích làm đường giao thông không được

đề cập riêng rẽ trong nhiều nghiên cứu. Trong hướng dẫn thiết kế đê sông do

Bộ Giao thông, Công chính và Thủy lợi Hà Lan phát hành năm 1991 có ghi rõ

“việc tính đến phương tiện di chuyển trên đỉnh đê là cần thiết kể cả trong tình

huống nước tràn đỉnh đê”. Đê sử dụng nhiều mục đích khác nhau đã có từ hàng

trăm năm theo lịch sử phát triển của hệ thống các công trình phòng lũ và xã hội

loài người. Về chủ đề này hiện đang được tập hợp một cách hệ thống ở các nước

phát triển như Mỹ, Hà Lan, Đức, Nhật cũng như ở các nước đang phát triển như

Trung Quốc, Việt Nam. Đây là khoa học giao thoa giữa lĩnh vực thủy lợi và

giao thông đòi hỏi phải nghiên cứu thận trọng, hệ thống và có tính kế thừa.

1.4 Sử dụng chất kết dính để gia cố đất trên thế giới và Việt Nam

1.4.1 Nghiên cứu, sử dụng xi măng gia cố đất trên thế giới

Khối lượng xi măng trong hỗn hợp gồm đất và xi măng được tính theo tỷ lệ

phần trăm của khối lượng đất khô. Đã có nhiều công trình nghiên cứu trên thế

giới về tỷ lệ xi măng hợp lý trong gia cố đất, điển hình là nghiên cứu của các

tác giả sau: Lan Wang; Shiells và các cộng sự (2003); Mitchell và Freitag

(1959); Viện kĩ thuật Châu Á, Law (1989); Hisaa Aboshi và Nashahiko

Kuwabara; DOH and JICA (1998);...

1.4.2 Nghiên cứu, sử dụng xi măng gia cố đất ở Việt Nam

Ở Việt Nam, việc sử dụng XM và vôi để gia cố đất xuất hiện từ những năm đầu

của thập niên 80 với công nghệ cọc đất vôi - xi măng của Thụy Điển. Giải pháp

này đã được áp dụng khá phổ biến ở các công trình xây dựng dân dụng và thủy

lợi để xử lý nền đất yếu, chống thấm, chống nứt,... Những năm gần đây, công

nghệ cọc XM đất của Nhật Bản được du nhập vào Việt Nam đã phát huy hiệu

quả trong việc xử lý nền đất yếu và được áp dụng rộng rãi ở các công trình giao

thông, thủy lợi,... Đến nay đã có một số đề tài nghiên cứu của các trường đại

5

học, viện khoa học như: Thủy lợi, Xây dựng, Kiến trúc, Giao thông,… Điển

hình là các nghiên cứu của các tác giả sau đây: Nguyễn Quốc Đạt; Nguyễn Việt

Hùng; Thái Hồng Sơn và nnk; Mai Anh Phương và nnk;... Việc sử dụng giải

pháp gia cố đất bằng XM làm tăng nhanh quá trình cố kết, làm thay đổi tính

chất cơ học, vật lý và cải thiện cường độ của đất gia cố.

1.5 Những vấn đề đặt ra cho nghiên cứu đê kết hợp giao thông Đê kết hợp với giao thông thì ảnh hưởng như thế nào đến sự ổn định của đê, đê

không bị nứt ngang, nứt dọc, trượt mái? Để giải quyết nội dung trên cần phải

tính toán sức chịu tải của đê cho các mặt cắt ngang đại diện tuyến giao thông.

Trong quá trình làm việc của đê qua các mùa khô, mùa lũ, tuyến đê đi qua các

vùng địa hình, địa chất khác nhau nên cần nghiên cứu khi nào, đoạn nào không

cần gia cố và đoạn nào cần gia cố. Biện pháp gia cố như thế nào để đảm bảo kỹ

thuật, kinh tế, phù hợp với điều kiện địa phương? Sau khi nghiên cứu xác định

được giải pháp kỹ thuật, cần nghiên cứu ứng dụng một đoạn đê cụ thể để chứng

tỏ giải pháp có khả thi và cũng là thiết kế mẫu cho việc áp dụng sau này vào thực tế.

1.6 Kết luận chương 1

Hệ thống đê sông được hình thành qua các thời kỳ khác nhau, đất đắp đê không

đồng nhất và được tôn tạo nhiều giai đoạn với yêu cầu phòng, chống lũ. Do đó,

khi có phương tiện giao thông đi lại trên đê được cứng hóa bề mặt sẽ dẫn đến

mặt đê và thân đê bị nứt gãy, lún. Đê kết hợp giao thông là yêu cầu tất yếu trong

giai đoạn hiện nay nhằm tạo kết nối mạng lưới giao thông hoàn chỉnh để thúc

đẩy phát triển kinh tế - xã hội và phục vụ nhân dân ngày càng tốt hơn;

Đã có nhiều nghiên cứu về giải pháp kỹ thuật để tăng cường khả năng chịu lực,

độ ổn định của đê sông nhưng việc nghiên cứu giải pháp sử dụng đất tại chỗ và

chất kết dính là tro bay và xi măng chưa được đề cập và chưa có nghiên cứu cụ

thể nào. Do vậy, tác giả chọn vấn đề trên là mục tiêu nghiên cứu và được trình

bày trong chương 2.

6

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỂ CẢI THIỆN ĐẤT THÂN ĐÊ ĐẢM BẢO YÊU CẦU CHỐNG LŨ VÀ KẾT HỢP GIAO THÔNG

2.1 Các giải pháp gia cố đất hiện nay

Gia cố đất nhằm: tăng sức chịu tải của đất; cải thiện một số tính chất cơ lý của

nền đất yếu (như: giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số

modul biến dạng, tăng cường độ chống cắt của đất,...). Các giải pháp gia cố như

giải pháp thay thế nền; các giải pháp cơ học; các giải pháp hóa học; các phương

pháp vật lý; các giải pháp thủy lực học;...

2.2 Cơ sở khoa học lựa chọn cấp phối và vật liệu gia cố đất thân đê

2.2.1 Lý thuyết đường cong cấp phối

Một số lý thuyết cơ sở về thành phần hạt được đưa ra như: Lý thuyết của Fuller-

Thomson, Caquot và Faury, Papovic-Anderson, B.B. Okhotina và N.N. Ivanov,

Talbot, Weymouth đối với hỗn hợp cốt liệu hạt rời rạc. Đường cong cấp phối

Fuller cho độ đặc tối ưu do nhiều cỡ hạt dễ chèn lấp lẫn nhau nhưng thường dẫn

tới khả năng khó thi công làm chặt cho hỗn hợp hạt đó, tuy nhiên do hiệu ứng “bi

lăn” của tro bay nên sẽ giảm bớt các cản trở lực ma sát giữa các hạt. Đường cong

cấp phối Fuller là dạng parabol hay một phần của parabol ở tỷ lệ tự nhiên của nó.

2.2.2 Phương pháp lấy mẫu và đánh giá chất lượng mẫu gia cố

Trong nghiên cứu của Luận án xác định theo phương pháp số lượng mẫu thông

qua sai số tương đối. Mối quan hệ độ tin cậy  và số lượng phép đo n, khi chưa

biết sai lệch bình phương trung bình lý thuyết σ. Để đảm bảo xác suất đảm bảo

là  = 0,97 số lượng mẫu cho một chỉ tiêu nghiên cứu được chọn là 6 lần đo.

2.2.3 Nghiên cứu sử dụng xi măng kết hợp tro bay để gia cố đất

Trong hơn 5 thập niên qua, tro bay được ứng dụng vào thực tiễn của ngành xây

dựng một cách rộng rãi và đã có những công trình lớn trên thế giới sử dụng sản

phẩm này như là một phụ gia không thể thiếu. Các công trình tiêu biểu đã sử

dụng tro bay làm phụ gia là: đập Tomisato cao 111m ở Nhật Bản được xây dựng

từ năm 1950 sử dụng 60% tro bay thay thế xi măng; Trung Quốc đưa tro bay vào

công trình xây dựng đập thủy điện từ những năm 1980; công trình Azure hoàn

7

thành năm 2005 sử dụng 35% tro bay thay thế xi măng; đập thủy điện Sơn La,

đập thủy điện Định Bình,… của Việt Nam là một trong những công trình lớn sử

dụng tro bay và đã mang lại hiệu quả cao.

Đối với đất của thân đê hiện trạng đa phần là đất á sét, thậm chí còn là đất sét thì

việc có thêm các hạt mịn như tro bay làm giảm đáng kể lỗ rỗng trong nền đất.

Ngoài ra, tro bay là hạt có dạng hình cầu đã tạo ra hiệu ứng ổ bi lăn (Ball Bearing

Effect) của hỗn hợp đất làm cho công đầm giảm đi và tăng độ chặt cho đất đắp.

Kết quả nghiên cứu nhiều năm đều chỉ ra rằng không nên xem đất gia cố bằng

các chất liên kết khác nhau là các hạt cốt liệu trơ hoặc môi trường bị động.

2.3 Kết luận chương 2

Với mục tiêu nghiên cứu đề ra, tác giả đã phân tích và lựa chọn được giải pháp và phương pháp nghiên cứu lý thuyết trong xây dựng thành phần cấp phối hạt, sự tương tác của thành phần hạt đất, tro bay và xi măng gồm: - Lựa chọn giải pháp (đất hiện trạng + tro bay) + xi măng để gia cố đất thân đê hiện trạng đảm bảo yêu cầu chống lũ và kết hợp giao thông; - Sử dụng lý thuyết thành phần hạt của Fuller để nghiên cứu và xây dựng thành phần cấp phối hạt với kích cỡ hạt nhỏ từ 1μm đến 12.500μm rất phù hợp với loại đất hiện trạng của đê sông; - Xác định được cơ chế hình thành cường độ khi gia cố (đất + tro bay) + xi măng từ sự tương tác giữa hỗn hợp các chất kết dính, cũng như phản ứng hóa học để chuyển từ trạng thái rời rạc sang trạng thái rắn (đất hóa bê tông);

Trên cơ sở nghiên cứu lý thuyết như vậy, tác giả đã xây dựng và hệ thống được vấn đề nghiên cứu chính là tiền đề cho nghiên cứu tiếp theo ở chương 3.

CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ ĐÊ KẾT HỢP LÀM ĐƯỜNG GIAO THÔNG

3.1 Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng

3.1.1 Vật liệu và thành phần của lớp đất thân đê gia cố Đất được dùng để làm thí nghiệm trong phòng được chọn là đất hiện trạng từ

đê hữu Đuống, tỉnh Bắc Ninh (ĐHĐ). Tro bay được sử dụng kết hợp với xi

8

măng để gia cố đất thân đê là tro bay Đông Triều và tro bay Cẩm Phả. Sử dụng

loại xi măng Nghi Sơn PCB40. Sau khi lựa chọn theo các giá trị tương đối tối

ưu thì tỷ lệ tro bay được chọn để thiết kế so với khối lượng của đất dùng để gia

cố tối ưu đối với đất đê ĐHĐ là 15%, tương tự đối với tro bay Cẩm Phả cũng

chọn ra được tỷ lệ thay thế tương tự.

Hình 3.3 Lượng lọt sàng của hỗn hợp đất ĐHĐ và 15% tro bay

3.1.2 Kết quả thí nghiệm trong phòng và phân tích lớp đất thân đê gia cố

Hình 3.6 Biểu đồ so sánh giữa cường độ chịu nén bão hòa và cường độ chịu nén

Hình 3.7 Biểu đồ so sánh giữa cường độ chịu

Hình 3.8 Biểu đồ so sánh giữa modul đàn

ép chẻ và loại đất gia cố theo tuổi 14 ngày

hồi và loại đất gia cố theo tuổi 14 ngày

không bão hòa của các loại hỗn hợp đất gia cố ở tuổi 14 ngày

9

Qua kết quả thí nghiệm có thể đưa ra kết luận như sau:

- Cường độ chịu nén bão hòa đạt khoảng từ 83,0÷85,6% cường độ chịu nén

không bão hòa. Cường độ chịu nén bão hòa các hỗn hợp gia cố đều lớn hơn so

với quy định của TCVN 8858:2011 (Rn ≥ 1,5MPa).

- Cường độ ép chẻ đất gia cố của các hỗn hợp từ 0,27÷0,31MPa ở tuổi 14

ngày, tỷ số giữa cường độ ép chẻ so với cường độ chịu nén mẫu bão hòa từ

7,24÷7,81 lần.

- Modul đàn hồi của lớp vật liệu gia cố với các tỷ lệ chọn tối ưu đạt được từ

962MPa đến 1048MPa, modul đàn hồi của vật liệu này khá cao, đây là cơ sở tốt

cho vật liệu sử dụng các kết cấu áo đường trong xây dựng công trình giao thông.

3.1.3 Vật liệu và thành phần của cấp phối đá dăm gia cố

Hình 3.9 Biểu đồ thành phần hạt cấp phối đá dăm

3.1.4 Kết quả thực nghiệm trong phòng và phân tích cấp phối đá dăm gia cố

Cấp phối đá dăm được gia cố xi măng với TB với tỷ lệ TB thay thế xi măng

đóng vai trò CKD lần lượt là 0%, 10%, 20%, 30%. Hai loại TB được sử dụng

trong nghiên cứu là TB của nhà máy nhiệt điện Đông Triều và Cẩm Phả.

Từ kết quả thí nghiệm một số nhận xét được đưa ra như sau:

- Gia cố tro bay để thay thế một phần XM trong CPĐD gia cố CKD làm cho các

giá trị cường độ chịu nén (Rn), cường độ ép chẻ (Rkc), modul đàn hồi (Eđh) của

CPĐD gia cố tăng lên một cách đáng kể.

10

- Cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ, modul đàn hồi của CPĐD gia cố CKD

sử dụng TB của nhà máy nhiệt điện Đông Triều cao hơn so với sử dụng TB của

nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả.

- Giá trị cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ, modul đàn hồi tăng dần từ 0%,

10%, 20% TB so với khối lượng CKD và đến 30% thì giảm xuống, như vậy sử

dụng 20% TB đem lại kết quả cao nhất cho việc nghiên cứu.

3.2 Thực nghiệm ngoài hiện trường

3.2.1 Nghiên cứu thực nghiệm gia cố lớp đất thân đê

Vật liệu để gia cố thân đê là đất tại chỗ (đào lên từ thân đê cũ); tro bay Đông

Triều; xi măng Nghi Sơn PCB40; nước thi công được lấy nước sạch.

Hình 3.15 Giá trị sức chịu tải CBR thân đê hiện trạng sau khi đào đến cao

trình gia cố

Hình 3.16 Modul đàn hồi của thân đê hiện trạng sau khi đào đến cao trình

gia cố

11

Hình 3.19 Độ chặt của nền đất ở các vị trí gia cố lớp 1 với các đợt lu lèn

Hình 3.20 Modul đàn hồi của lớp đất sau khi rải các lớp đất gia cố (lớp 1)

Hình 3.21 CBR của các điểm đo trên các tấm lớp đất gia cố (lớp 1)

12

Hình 3.29 Độ chặt của nền đất ở các vị trí gia cố lớp 2 với các đợt lu lèn

Hình 3.30 Cường độ chịu nén của mẫu đất gia cố tro bay và xi măng theo

các ngày tuổi

Hình 3.31 Khả năng chịu tải CBR của mẫu đất gia cố tro bay và xi măng

theo các ngày tuổi

13

Hình 3.32 Modul đàn hồi của lớp đất thân đê gia cố được đo ở hiện trường

Hình 3.35 Khả năng chịu tải đất thân đê hiện trường đo trên lớp thứ 2

Kết quả đo ở Hình 3.35 cho thấy rằng sau khi gia cố tro bay và xi măng ở nền

lớp 2 thì CBR đều tăng rõ rệt và tăng đến ở mức > 30% với mức này có thể coi

đạt yêu cầu làm lớp CPĐD loại 2 của nền đường theo TCVN 8858:2011. Vậy,

nghiên cứu này đề nghị bỏ lớp Subbase và lớp đất gia cố này thay được nhiệm

vụ là lớp CPĐD của kết cấu mặt đê và chỉ cần lớp cấp phối đá dăm gia cố tro

bay và xi măng trên lớp đất đã gia cố.

3.2.2 Thực nghiệm hiện trường xác định hệ số thấm

Ở hiện trường được thí nghiệm sau 28 ngày tuổi với các độ sâu thí nghiệm khác

nhau trong lớp đất gia cố. Từ kết quả thí nghiệm của 05 mẫu trong phòng và 03

thí nghiệm hiện trường cho thấy:

14

- Vật liệu gia cố có tính thấm nhỏ, hệ số thấm trong phòng giảm dần theo thời gian, từ 1,1.10-6cm/s đến ~10-8cm/s;

- Hệ số thấm hiện trường phụ thuộc vào độ sâu thí nghiệm và mức độ đồng nhất của vật liệu gia cố, hệ số thấm trung bình là 1,605.10-6cm/s.

3.2.3 Đánh giá tác động của hỗn hợp đất gia cố đối với môi trường

Qua kết quả phân tích các chỉ tiêu hóa học của dung dịch nước sau khi ngâm và

đun hồi lưu của hai mẫu đất cho thấy hỗn hợp đất gia cố trong quá trình khai

thác sử dụng sẽ không làm ảnh hưởng đến môi trường.

3.2.4 Kết quả thực nghiệm hiện trường lớp cấp phối đá dăm gia cố xi măng

Hình 3.50 Quan hệ cường độ chịu nén của mẫu đúc và mẫu khoan theo thời gian

Hình 3.51 Quan hệ cường độ ép chẻ của mẫu đúc và mẫu khoan theo thời gian

15

Hình 3.52 Quan hệ modul đàn hồi E theo thời gian

Với kết quả thực nghiệm hiện trường trên cơ sở các chỉ tiêu kỹ thuật, tác giả đề

xuất kết cấu áo mặt đường đê bao gồm các tầng, lớp đảm bảo yêu cầu chống lũ

và kết hợp giao thông được thể hiện trong Hình 3.53 dưới đây.

Hình 3.53 Kết cấu áo mặt đường đê đề xuất sau nghiên cứu

3.3 Kết luận chương 3

Qua nghiên cứu từ thí nghiệm trong phòng đến thực nghiệm ngoài hiện trường,

tác giả đã xác định được tỷ lệ cấp phối tối ưu để gia cố và các chỉ tiêu kỹ thuật

đạt được kết quả là:

- Xác định được tỷ lệ (85% đất + 15% tro bay)+ 10% xi măng là tỷ lệ tốt nhất

để gia cố lớp đất thân đê đạt được yêu cầu khi kết hợp giao thông;

- Xác định được tỷ lệ 96%CPĐD + 4%CKD (80% là xi măng + 20% là tro bay)

là tỷ lệ tốt nhất để gia cố CPĐD làm móng mặt đê;

- Lớp đất gia cố (ĐHĐ + TB) + XM đạt K ≥ 0,98 với số lần đầm bằng 70% theo

TCVN 10379:2014 (là 20÷25 lần đầm);

16

- Cấp phối đá dăm gia cố CKD dễ đầm chặt, làm giảm số lần đầm lu lèn của

hỗn hợp cấp phối đá dăm.

- Cấp phối đá dăm gia cố 4% CKD đạt cường độ nén ở tuổi 7 ngày RnénCKD =

11,2MPa so với CPĐD gia cố 5% XM có RnénXM = 5,26MPa, có thể chọn làm căn

cứ thiết kế và quản lý thi công để cải thiện kết cấu mặt đê khi kết hợp giao thông;

Đề xuất được kết cấu mặt đê mới đảm bảo chống lũ và kết hợp giao thông gồm

các tầng, lớp: lớp mặt bê tông xi măng M300; lớp móng CPĐD gia cố 4% CKD;

lớp (đất gia cố + tro bay) + xi măng.

CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO ĐÊ HỮU ĐUỐNG, TỈNH BẮC NINH

4.1 Giới thiệu đoạn đê hữu Đuống từ Km21+600÷Km31+500

Đê hữu Đuống đoạn từ Km21+600÷Km31+500 có cao trình mặt đê cao hơn từ

0,80÷1,00m so với mực nước thiết kế tại Thượng Cát (+12,80m); tại Bến Hồ

(+10,10m). Đỉnh đê được cứng hóa bằng bê tông, trải qua hơn 10 năm khai thác

và sử dụng, nhiều đoạn đã bị nứt, gãy. Cấu tạo địa chất được thể hiện trong mặt

cắt đại diện Hình 4.1.

Hình 4.1 Mặt cắt địa chất điển hình đê hữu Đuống đoạn từ

Km21+600÷Km31+500

17

4.2 Áp dụng kết quả nghiên cứu cho đê hữu Đuống, Bắc Ninh

Kết cấu mặt đường trong Hình 4.2 là kết cấu mặt đường đề xuất của tác giả có

được từ kết quả nghiên cứu của chương 3. Kết cấu mặt đường Hình 4.3 là kết

cấu mặt đường theo tiêu chuẩn ngành giao thông, cụ thể là Quyết định 3230/QĐ-

BGTVT.

Hình 4.2 Kết cấu mặt đường đê đề xuất khi kết hợp giao thông

Trong đó:

- Lớp 1: Bê tông xi măng M300 có chiều dày 25cm, cao độ mặt đê 11,65m;

- Lớp 2: Lớp CPĐD loại 1 gia cố chất kết dính 4%, chiều dày 18cm;

- Lớp 3: Lớp đất hiện trạng của thân đê được gia cố bằng 15% tro bay và 10%

xi măng, chiều dày 50cm;

- Lớp đất nền phía dưới lớp 3: các lớp đất hiện trạng của đê.

So sánh với kết cấu mặt đường truyền thống gồm các lớp được thể hiện ở Hình

Hình 4.3. Kết cấu mặt đường đê theo tiêu chuẩn ngành giao thông (truyền thống)

4.3 và mô tả dưới đây.

- Lớp 1: Bê tông M300 có chiều dày 30cm;

- Lớp 2: Lớp đá dăm loại 1, chiều dày 15cm;

18

- Lớp 3: Lớp đá dăm loại 2, chiều dày 15cm;

- Lớp 4: Lớp đất tốt được đầm chặt K ≥ 0,98 và CBR ≥ 6, chiều dày 30cm;

- Lớp 5: Lớp đất được đầm chặt K ≥ 0,95 và CBR ≥ 4, chiều dày 50cm;

- Lớp đất nền phía dưới lớp 5: Là các lớp đất nguyện trạng của đê.

4.3 Kiểm toán lại sự phù hợp của kết cấu đề xuất theo quyết định 3230/QĐ-BGTVT

Theo quyết định số 3230/QĐ-BGTVT, các giá trị dùng để tính toán kiểm toán

lại sự phù hợp của kết cấu nền áo đường đề xuất gồm: Modul đàn hồi chung Et

của nền đất và của móng dưới bằng vật liệu hạt; độ cứng tương đối chung của

cả kết cấu Rg; ứng suất do tải trọng trục xe gây ra; ứng suất kéo uốn do gradient

nhiệt độ gây ra.

- Theo điều kiện (8-1): hay 4,105MPa < 5,00MPa

- Theo điều kiện (8-2): hay 4,283MPa < 5,00MPa

- Theo điều kiện (8-3): hay 0,071MPa < 4,00MPa

Qua kết quả kiểm toán kết cấu áo mặt đường đê đề xuất với cho thấy kết cấu áo

mặt đường đê BTXM dự kiến gồm 3 lớp đã đề xuất đã thỏa mãn được các điều

kiện giới hạn cho phép.

4.4 Phân tích ổn định của đê với kết cấu mặt đường đề xuất so với kết cấu mặt đường theo yêu cầu của ngành giao thông

4.4.1 Phân tích ổn định đê với kết cấu truyền thống

4.4.1.1 Ổn định thấm

Trường hợp tính toán là đê làm việc trong trường hợp bất lợi nhất khi mực nước

phía sông là mực nước thiết kế MNLTK=+10,2m, hạ lưu không có nước; trên

đỉnh đê vẫn cho phép xe lưu thông bình thường với tải trọng trục lớn nhất

Pmax=18T.

Kết quả tính toán cho thấy rằng gradient J=0,25  [Jk]=0,45; nền đê không bị

xói ngầm.

19

4.4.1.2 Ổn định mái đê

Kết quả phân tích ổn định mái đê với mái đê phía đồng và phía sông cho hệ số

ổn định nhỏ nhất của mái đê lần lượt là 1,650 và 2,703 đều lớn hơn hệ số ổn

định cho phép [Kn] = 1,15.

4.4.2 Phân tích ổn định đê với kết cấu đề xuất

4.4.2.1 Ổn định thấm

Trường hợp tính toán lấy như tính toán ổn định thấm và trượt mái của kết cấu

đê truyền thống. Kết quả tính toán cho thấy rằng gradient J=0,35  [Jk]=0,45

nên nền đê không bị xói ngầm .

4.4.2.2 Ổn định mái đê

Kết quả phân tích ổn định mái đê với mái đê phía đồng và phía sông cho hệ số

ổn định nhỏ nhất của mái đê lần lượt là 1,632 và 2,647 đều lớn hơn hệ số ổn định cho phép [Kn] = 1,15.

4.5 So sánh giá thành xây dựng giữa hai phương án

Để so sánh giá thành xây dựng giữa hai phương án, tiến hành tính toán khối

lượng và lập dự toán xây dựng công trình ứng với hai mặt cắt đê truyền thống

và mặt cắt đê đề xuất với chiều dài tuyến là 1km. Giá thành xây dựng cho 1km

đê làm theo hai phương án được tổng hợp trong Bảng 4.7.

Bảng 4.7 Chi phí xây dựng cho 1km đê của hai phương án

TT Phương án Chi phí (VNĐ)

1 Phương án truyền thống ngành giao thông 7.470.467.000

2 Phương án đề xuất 7.152.085.000

(Giá vật liệu xây dựng được lấy theo báo giá của tỉnh Bắc Ninh)

Kết quả tính toán giá thành xây dựng cho thấy chi phí xây dựng mặt đường đê

theo kết cấu đề xuất đạt được lợi ích về kinh tế tốt hơn so với kết cấu mặt đường

truyền thống. Kết hợp với các kết quả tính toán, kiểm toán kết cấu mặt đê giữa

hai phương án, khẳng định rằng phương án xây dựng mặt đường đê theo kết cấu

20

đề xuất đạt được hiệu quả cao hơn phương án xây dựng mặt đường đê theo kết

cấu truyền thống.

4.6 Công tác tổ chức thi công lớp đất thân đê gia cố làm nền thượng trong kết cấu áo mặt đường đê

Thi công lớp nền thượng là đất gia cố dày 50cm được chia làm 2 lớp, lớp 1 dày

30cm, lớp 2 dày 20cm.

Trình tự thi công

- Xác định vị trí tuyến thi công (lên ga, cắm cọc);

- Tiến hành đào bỏ lớp áo đường cũ đã hư hỏng (bóc bỏ phong hóa) và đào sâu

tới cao trình gia cố;

- Cày xới, lu lèn lại 30cm đất đạt độ chặt K ≥ 0,97 tính từ cao trình gia cố trở

xuống để giảm thiểu tác động của tải trọng máy thi công đất gia cố đến thân đê

phía dưới;

- Tiến hành dùng máy phay để phay nhỏ đất D < 5mm;

- Dùng máy xúc kết hợp máy trộn tự hành và thủ công tiến hành trộn hỗn hợp

đất gia cố xi măng tro bay theo tỷ lệ tính toán của mỗi mẻ trộn; khi máy quay

tự hành trộn hỗn hợp đất, tro bay, xi măng đều, tiến hành cho tập kết tại công

trường thi công đến khi đủ khối lượng để thi công lớp đã tính toán.

- San gạt hỗn hợp đất gia cố đến cao độ tính toán, san gạt bằng máy san kết hợp

thủ công;

- Tiến hành lu lèn theo trình tự như sau:

+ Lu tĩnh 9T lu 3 lượt/điểm vận tốc lu 2÷3km/h, xác định độ chặt K, γk;

+ Lu rung 21T lu 6 lượt/ điểm vận tốc lu 2÷3km/h, xác định độ chặt K, γk;

- Thi công lớp 1 xong, sau 7 ngày tiến thành thi công lớp 2.

4.6.1 Nghiệm thu lớp đất gia cố

Khi thi công với chiều dài tuyến trên 1000m thì việc nghiệm thu lớp đất gia cố

cần tuân thủ theo TCVN 10379:2014, cụ thể như sau:

- Cứ 1000m dài phần xe chạy 1 làn xe phải khoan 6 mẫu (3 mẫu để thử nén, 3

mẫu để thử ép chẻ) không cùng trên một mặt cắt mà phân bố đều trên 1000m

21

dài tuyến đường để kiểm tra cường độ như quy định đồng thời để kiểm tra chiều

dày và khối lượng thể tích khô của mẫu. Nếu kết quả có lỗ khoan và mẫu không

đạt yêu cầu quy định thì lân cận vùng đó phải khoan thêm 2 mẫu nữa để kiểm

tra cho chắc chắn. Sai số cho phép về cường độ cục bộ là 5% nhỏ hơn so với

yêu cầu ở Bảng 1 (hoặc yêu cầu quy định trong đồ án thiết kế nhưng trung bình

trên 1000m dài đường không được nhỏ hơn yêu cầu).

- Đối với các yếu tố hình học khác của lớp đất gia cố, cứ 1000m dài đường kiểm

tra tối thiểu trên 5 mặt cắt ngang.

4.7 Kết luận chương 4

Qua kiểm tra tính toán ổn định (thấm, trượt mái) với kết cấu đê đề xuất và kết

cấu đê truyền thống cho đoạn đê hữu Đuống, tỉnh Bắc Ninh, tác giả thấy các giá

trị xấp xỉ nhau và đều đảm bảo điều kiện ổn định trượt.

Với kết cấu đê đề xuất, tác giả cũng đã kiểm toán theo Quyết định 3230/QĐ-

BGTVT, các kết quả tính về modul đàn hồi E, độ cứng Rg; các ứng suất kéo uốn

lớn nhất; các điều kiện giới hạn đều đảm bảo và đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của

ngành giao thông;

Chi phí và giá thành xây dựng của kết cấu đê đề xuất thấp hơn kết cấu đê truyền

thống 318 triệu/1km;

Xây dựng được trình tự thi công của kết cấu mặt đê từ công tác chuẩn bị đến hoàn

thiện, đảm bảo các yêu cầu về kỹ thuật (vật liệu, trộn, đầm, thí nghiệm mẫu,...).

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ

I. Kết quả đạt được của Luận án

Trên cơ sở các kết quả nghiên cứu đạt được, Luận án đưa ra một số kết luận sau:

- Đất thân đê là có khả năng chịu tải thay đổi từ CBR từ 4÷10% và không đều

trên toàn tuyến đê hữu Đuống. Nếu như không được cải thiện thì đất này khó

22

có thể đầm chặt được và đạt khả năng chịu tải theo yêu cầu, thường là > 30%

đối với các lớp đất nền thượng trong xây dựng công trình giao thông.

- Tỷ lệ thành phần lựa chọn thích hợp là với 15% tro bay Đông Triều và 85%

đất khô, sau đó có 10% xi măng để kích hoạt khả năng làm việc của tro bay

trong hỗn hợp.

- Thực nghiệm hiện trường trên cơ sở tỷ lệ chọn trong phòng với các tỷ lệ xi măng

khác nhau từ 5÷10% đều cho thấy lớp đất thân đê gia cố cải thiện được khả năng

chịu tải, CBR tăng lên giá trị > 100% có thể dùng làm lớp CPĐD mặt đường.

Thực nghiệm đã đánh giá modul đàn hồi cùng như hệ số thấm của lớp đất được

gia cố, đều đạt yêu cầu cao so với mức khả năng chịu tải xe trên đường đê, cũng

như khả năng chống thấm (hệ số thấm cho lớp đất thân đê theo yêu cầu).

- Thực nghiệm hiện trường đưa ra cơ sở để chọn được công nghệ thi công hợp

lý đối với lớp đất khi có tro bay làm thành phần vi cốt liệu (hạt mịn trong đất)

thi công lu lèn chặt ít hơn so với tiêu chuẩn quy định TCVN 13079:2014;

Phát triển cường độ chịu nén và ép chẻ của mẫu đất đúc tại hiện trường và mẫu

đất khoan cho thấy tương đồng và nên lấy cường độ 7 ngày để làm căn cứ thiết

kế, thi công các lớp tiếp theo.

- Thử nghiệm trong phòng lớp CPĐD gia cố tro bay và xi măng đã chọn ra tỷ lệ

hợp lý là tro bay chiếm 20% chất kết dính. Thử nghiệm hiện trường cũng đã

đánh giá công nghệ thi công hợp lý đối với lớp vật liệu CPĐD gia cố tro bay và

xi măng, đảm bảo thời gian kết thúc lu lèn tính từ khi trộn hỗn thời gian nhỏ

hơn 120 phút.

- Cường độ và modul của lớp CPĐD gia cố xi măng đạt đều cao. Cường độ chịu

nén mẫu đúc hiện trường đạt từ 11,2÷18,34MPa, cường độ ép chẻ đạt từ

0,41÷1,02MPa ở tuổi 7 ngày. Cường độ chịu nén mẫu khoan hiện trường từ

6,25÷10,02MPa có sự tương đồng với mẫu đúc. Modul đàn hồi đạt từ

435÷715MPa đều thỏa mãn yêu cầu đối với lớp Base cho mặt đường cấp cao.

23

II. Những điểm mới của Luận án

1. Xác định được cấp phối vật liệu hợp lý (đất thân đê hiện có + xi măng + tro

bay) cho lớp nền thượng và lớp (CPĐD + XM + TB) thuộc kết cấu mặt đê;

2. Đề xuất được kết cấu mặt đê đảm bảo yêu cầu chống lũ và kết hợp giao thông

theo tiêu chuẩn đường cấp III;

3. Xây dựng trình tự, công nghệ thi công gia cố trong phạm vi lớp nền thượng

của kết cấu mặt đường;

III. Những tồn tại và kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo từ kết quả luận án

1. Tồn tại

Việc thi công lớp đất gia cố tro bay và xi măng sử dụng các máy dùng cho công

tác làm đất và bê tông thông thường mà chưa có máy chuyên dụng;

Chiều dài đoạn thi công thực nghiệm còn ngắn do chi phí còn hạn chế.

2. Kiến nghị những nghiên cứu tiếp theo từ kết quả của luận án

Trong phạm vi luận án đang làm dạng bán thủ công có kết hợp máy móc, phần

trộn vẫn làm thủ công. Cần dùng thiết bị trộn, phay của nông nghiệp hoặc thiết

bị tái chế có độ phun bột của ngành giao thông vận tải để tạo điều kiện thi công

nhanh, đồng đều.

Để triển khai đại trả trên các dự án đê sông ở các vùng đất yếu cần có dự án thử

nghiệm trên chiều dài > 1km đê;

Xây dựng quy trình hoặc Tiêu chuẩn Quốc gia về hướng dẫn thi công lớp đất

thân đê gia cố về giải pháp cải thiện độ ổn định của đê;

Soát xét một số tiêu chuẩn sử dụng gia cố TCVN 8858:2011; TCVN

10379:2014 để phù hợp hơn với điều kiện thực tế của Việt Nam;

24

DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ

1. Đặng Công Hưởng. “Nghiên cứu thực nghiệm gia cố đất thân đê hữu Đuống

kết hợp làm đường giao thông bằng vật liệu xi măng và tro bay”. Tạp chí KHKT

Thủy lợi và Môi trường. Số 58, trang 34-40, tháng 9/2017.

2. Đặng Công Hưởng. “Nghiên cứu sử dụng tro bay như một phần chất kết dính

trong móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng làm kết cấu mặt đê kết hợp giao

thông”. Tạp chí cầu đường Việt Nam. Số 8, trang 26-30, tháng 8/2017.

3. Tu, P. Q, Tuan D. Q, Ha N. V and Huong D. C (2016). Reliability - based

Assessment of the Red River dike of Hanoi, Vietnam. International Conference

on Geology and Geo-resources (GAG) (P222-226), Hanoi, ESASGD 2016.

4. Đặng Công Hưởng. “Hư hỏng mặt đường giao thông trên đỉnh đê, nguyên

nhân và giải pháp khắc phục”. Người xây dựng Bắc Ninh. Số 01, trang 35-37,

tháng 1/2014.

25