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

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