Nội dung

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỂ ĐỀ XUẤT KẾT CẤU MẶT ĐÊ ĐẢM BẢO CHỐNG LŨ VÀ KẾT HỢP GIAO THÔNG Nghiên cứu sinh: Đặng Công Hưởng Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 62580202 Người hướng dẫn khoa học: PGS.TS. Nguyễn Hữu Huế GS.TS. Lê Kim Truyền HÀ NỘI, NĂM 2017 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 đã thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Đặng Công Hưởng i LỜI CÁM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS NGUYỄN HỮU HUẾ, GS.TS LÊ KIM TRUYỀN là các thầy hướng dẫn trực tiếp tác giả thực hiện Luận án. Xin cảm ơn các thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ, hướng dẫn giúp đỡ trong thời gian tác giả thực hiện Luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn các Nhà khoa học trong và ngoài trường Đại học Thủy lợi đã có nhiều đóng góp quý báu, chân tình và thẳng thắn để tác giả hoàn thành Luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Trường Đại học Thủy lợi, Khoa Công trình, Viện Kỹ thuật công trình, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Bộ môn Công nghệ và quản lý xây dựng, các phòng ban của Trường đã có những giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Tỉnh ủy Bắc Ninh, UBND tỉnh Bắc Ninh, Sở Nông nghiệp và PTNT tỉnh Bắc Ninh và các đơn vị của Sở đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và công tác. Tác giả xin cảm ơn các bạn đồng nghiệp, các thầy cô trường Đại học Giao thông vận tải, Đại học Mỏ địa chất, Công ty Cổ phần tư vấn kiểm định giao thông - xây dựng và thi công xây dựng, Công ty cổ phần xây dựng dịch vụ và thương mại 68, Công ty Cổ phần xây dựng thủy lợi Hải Dương, Nhà máy Nhiệt điện Đông Triều đã phối hợp, giúp đỡ, tạo điều kiện trong quá trình tác giả nghiên cứu. Tác giả xin cám ơn các bạn đồng nghiệp, bạn bè trong và ngoài nước đã giúp đỡ, động viên tác giả nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin cảm ơn gia đình đã luôn động viên, khích lệ, là chỗ dựa vững chắc để tác giả hoàn thành việc nghiên cứu của mình. Tác giả luận án Đặng Công Hưởng ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH ..............................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU ............................................................................................. x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. xii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài...........................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ............................................................................................... 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2 3.1. Đối tượng ..........................................................................................................2 3.2. Phạm vi nghiên cứu ..........................................................................................2 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu.............................................................. 2 4.1. Cách tiếp cận ....................................................................................................2 4.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................3 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của Luận án ............................................................3 5.1. Ý nghĩa khoa học .............................................................................................. 3 5.2. Ý nghĩa thực tiễn .............................................................................................. 3 6. Cấu trúc của Luận án ............................................................................................... 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÊ SÔNG KẾT HỢP GIAO THÔNG ..4 1.1 Quá trình hình thành và phát triển hệ thống đê sông.............................................4 1.1.1 Trên thế giới ...................................................................................................4 1.1.2 Ở Việt Nam.....................................................................................................6 1.2 Hệ thống đê sông tỉnh Bắc Ninh .........................................................................11 1.2.1 Đặc điểm thủy văn, sông ngòi và địa chất công trình ..................................12 1.2.2 Quy định về tiêu chuẩn phòng lũ đối với các tuyến đê sông tỉnh Bắc Ninh 17 1.2.3 Cao trình đỉnh đê hiện trạng các tuyến đê sông tỉnh Bắc Ninh ....................19 1.2.4 Quy hoạch hệ thống đê sông kết hợp làm đường giao thông tỉnh Bắc Ninh19 1.3 Các nghiên cứu ở trong và ngoài nước về đê kết hợp giao thông .......................21 1.3.1 Nghiên cứu ở trong nước ..............................................................................21 1.3.2 Nghiên cứu của nước ngoài ..........................................................................22 1.4 Sử dụng chất kết dính để gia cố đất trên thế giới và Việt Nam........................... 25 iii 1.4.1 Nghiên cứu, sử dụng xi măng gia cố đất trên thế giới .................................25 1.4.2 Nghiên cứu, sử dụng xi măng gia cố đất ở Việt Nam ..................................27 1.5 Những vấn đề đặt ra cho nghiên cứu đê kết hợp giao thông ............................... 29 1.6 Kết luận chương 1 ............................................................................................... 33 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỂ CẢI THIỆN ĐẤT THÂN ĐÊ ĐẢM BẢO YÊU CẦU CHỐNG LŨ VÀ KẾT HỢP GIAO THÔNG ......................................................34 2.1 Các giải pháp gia cố đất hiện nay ........................................................................34 2.1.1 Giải pháp thay thế nền ..................................................................................34 2.1.2 Các giải pháp cơ học ....................................................................................35 2.1.3 Các giải pháp hóa học ..................................................................................37 2.1.4 Các phương pháp vật lý gia cố đất ............................................................... 37 2.1.5 Các giải pháp thủy lực học ...........................................................................37 2.2 Cơ sở khoa học lựa chọn cấp phối và vật liệu gia cố đất thân đê........................39 2.2.1 Lý thuyết đường cong cấp phối ....................................................................39 2.2.2 Phương pháp lấy mẫu và đánh giá chất lượng mẫu gia cố ........................... 42 2.2.3 Nghiên cứu sử dụng xi măng kết hợp tro bay để gia cố đất .........................44 2.3 Kết luận chương 2 ............................................................................................... 52 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ ĐÊ KẾT HỢP LÀM ĐƯỜNG GIAO THÔNG ......................................................53 3.1 Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng .................................................................53 3.1.1 Vật liệu và thành phần của lớp đất thân đê gia cố ........................................53 3.1.2 Kết quả thí nghiệm trong phòng và phân tích lớp đất thân đê gia cố...........56 3.1.3 Vật liệu và thành phần của cấp phối đá dăm gia cố .....................................68 3.1.4 Kết quả thực nghiệm trong phòng và phân tích cấp phối đá dăm gia cố .....71 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm ngoài hiện trường ........................................................74 3.2.1 Nghiên cứu thực nghiệm gia cố lớp đất thân đê ...........................................75 3.2.2 Thực nghiệm hiện trường xác định hệ số thấm ............................................95 3.2.3 Đánh giá tác động của hỗn hợp đất gia cố đối với môi trường ....................98 3.2.4 Kết quả thực nghiệm hiện trường lớp cấp phối đá dăm gia cố tro bay và xi măng ....................................................................................................................100 3.3 Kết luận chương 3 .............................................................................................107 iv CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO ĐÊ HỮU ĐUỐNG, TỈNH BẮC NINH .......................................................................................................109 4.1 Giới thiệu đoạn đê hữu Đuống từ Km21+600÷Km31+500 ..............................109 4.2 Áp dụng kết quả nghiên cứu cho đê hữu Đuống, Bắc Ninh ..............................110 4.3 Kiểm toán lại sự phù hợp của kết cấu đề xuất theo quyết định 3230/QĐ-BGTVT .................................................................................................................................111 4.3.1 Tính toán modul đàn hồi chung Et của nền đất và của móng dưới bằng vật liệu hạt .................................................................................................................113 4.3.2 Tính độ cứng tương đối chung của cả kết cấu Rg .......................................113 4.3.3 Tính ứng suất do tải trọng trục xe gây ra ...................................................114 4.3.4 Tính ứng suất kéo uốn do gradient nhiệt độ gây ra ....................................116 4.3.5 Kiểm toán các điều kiện tới hạn .................................................................117 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 ..............................................................118 4.4.1 Phân tích ổn định đê với kết cấu truyền thống ...........................................118 4.4.2 Phân tích ổn định đê với kết cấu đề xuất ....................................................125 4.4.3 So sánh kết quả tính toán giữa hai loại mặt cắt đê .....................................130 4.5 So sánh giá thành xây dựng giữa hai phương án ...............................................130 4.6 Công tác tổ chức thi công lớp đất thân đê gia cố làm nền thượng trong kết cấu áo mặt đường đê ...........................................................................................................131 4.6.1 Công tác chuẩn bị .......................................................................................131 4.6.2 Công tác tổ chức thi công lớp đất gia cố tro bay và xi măng .....................132 4.6.3 Nghiệm thu lớp đất gia cố ..........................................................................133 4.7 Kết luận chương 4 .............................................................................................134 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................136 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................138 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................139 PHỤ LỤC ....................................................................................................................144 PHỤ LỤC 1: PHỤ LỤC HÌNH ẢNH THỰC NGHIỆM NGOÀI HIỆN TRƯỜNG ĐÊ HỮU ĐUỐNG, TỈNH BẮC NINH PHỤ LỤC 2: PHỤ LỤC TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH XÂY DỰNG 1KM ĐÊ CỦA PHƯƠNG ÁN TRUYỀN THỐNG VÀ PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hệ thống các tuyến đê của Hà Lan ...................................................................4 Hình 1.2 Đập ngăn triều Maeslant Hà Lan (nguồn: internet) ..........................................5 Hình 1.3 Đê an toàn cao ở Nhật Bản (nguồn: internet) ...................................................6 Hình 1.4 Các đê sông trong vùng đồng bằng sông Hồng (nguồn: internet) ....................9 Hình 1.5 Sơ họa hệ thống đê điều tỉnh Bắc Ninh ..........................................................12 Hình 1.6 Mặt cắt ngang địa tầng đại diện của đê hữu Đuống đoạn từ Km21+600÷Km30+300 ................................................................................................ 14 Hình 1.7 Mặt cắt ngang địa tầng đại diện của đê tả Đuống đoạn từ Km24+300÷Km28+500 ................................................................................................ 15 Hình 1.8 Mặt cắt ngang địa tầng đại diện của đê hữu Thái Bình đoạn từ Km0+00÷Km4+800 ......................................................................................................16 Hình 1.9 Mặt cắt ngang địa tầng đại diện của đê hữu Cầu đoạn từ Km37+950÷Km69+500 ................................................................................................ 17 Hình 1.10 Đường giao thông trên đê sông Đuống ........................................................20 Hình 1.11 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1915 đến 1945 ........................................................21 Hình 1.12 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1945 đến 2000 ........................................................21 Hình 1.13 Đê Hà Nội giai đoạn từ 2000 đến 2010 ........................................................22 Hình 1.14 Các dạng mặt cắt ngang đê đa mục tiêu cho các khu vực khác nhau ...........23 Hình 1.15 Đồ thị ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ nén .....................28 Hình 1.16 Ảnh hưởng của các thành phần hạt trong đất đến cường độ đất + xi măng...........29 Hình 1.17 Phạm vi tác dụng của tải trọng bánh xe........................................................30 Hình 1.18 Sơ đồ cấu tạo mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối ...........30 Hình 1.19 Sơ đồ các tầng, lớp của kết cấu nền - áo đường ...........................................30 Hình 2.1 Sử dụng đầm rơi để làm chặt đất trên mặt (nguồn: internet)..........................35 Hình 2.2 Sử dụng đầm lăn để làm chặt đất trên mặt (nguồn: internet) .........................36 Hình 2.3 Làm chặt đất bằng phương pháp đầm rung (nguồn: internet) ........................36 Hình 2.4 Xử lý đất yếu bằng công nghệ bấc thấm kết hợp cố kết chân không .............38 Hình 2.5 Đường cong Fuller với các hệ số h khác nhau ...............................................41 Hình 2.6 Xác suất phủ xung quanh giá trị có chứa giá trị thực với mức ý nghĩa =0,10 .......43 Hình 2.7 Ảnh chụp sau ống phóng của một kính hiển vi điện tử quét (SEM) phát hiện cấu trúc mặt cắt ngang của các hạt tro bay ở độ phóng đại 750 lần (nguồn: internet) ..44 vi Hình 3.1 Lượng lọt sàng của hỗn hợp đất ĐHĐ và 0% tro bay ....................................58 Hình 3.2 Lượng lọt sàng của hỗn hợp đất ĐHĐ và 10% tro bay ..................................59 Hình 3.3 Lượng lọt sàng của hỗn hợp đất ĐHĐ và 15% tro bay ..................................59 Hình 3.4 Lượng lọt sàng của hỗn hợp đất ĐHĐ và 20% tro bay ..................................59 Hình 3.5 Mối quan hệ giữa CBR và dung trọng khô lớn nhất với các mẫu 10, 30 và 65 chày đầm của đất thân đê............................................................................................... 61 Hình 3.6 Biểu đồ so sánh giữa cường độ chịu nén bão hòa và cường độ chịu nén không bão hòa của các loại hỗn hợp đất gia cố ở tuổi 14 ngày ................................................67 Hình 3.7 Biểu đồ so sánh giữa cường độ chịu ép chẻ và loại đất gia cố theo tuổi 14 ngày ..67 Hình 3.8 Biểu đồ so sánh giữa modul đàn hồi và loại đất gia cố theo tuổi 14 ngày .....67 Hình 3.9 Biểu đồ thành phần hạt cấp phối đá dăm........................................................71 Hình 3.10 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa % tro bay so với cường độ chịu nén ở tuổi 14 ngày ...................................................................................................................73 Hình 3.11 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa % tro bay so với cường độ chịu kéo khi ép chẻ ở tuổi 14 ngày .....................................................................................................73 Hình 3.12 Biểu đồ thể hiện mối quan hệ giữa % tro bay so với modul đàn hồi ở tuổi 14 ngày .......................................................................................................................................74 Hình 3.13 Mặt cắt ngang hiện trạng đê hữu Đuống ......................................................75 Hình 3.14 Máy xúc đào đất tại chỗ từ thân đê cũ tận dụng để gia cố ........................... 76 Hình 3.15 Giá trị sức chịu tải CBR thân đê hiện trạng sau khi đào đến cao trình gia cố .......................................................................................................................................77 Hình 3.16 Modul đàn hồi của thân đê hiện trạng sau khi đào đến cao trình gia cố ......78 Hình 3.17 Máy phay làm tơi xốp đất đào thân đê .........................................................79 Hình 3.18 Sơ đồ mặt bằng các ô thi công thực nghiệm lần 1........................................80 Hình 3.19 Độ chặt của nền đất ở các vị trí gia cố lớp 1 với các đợt lu lèn ...................82 Hình 3.20 Modul đàn hồi của lớp đất sau khi rải các lớp đất gia cố (lớp 1) .................84 Hình 3.21 CBR của các điểm đo trên các tấm lớp đất gia cố (lớp 1) ............................ 84 Hình 3.22 Công tác khoan lấy mẫu đất tại hiện trường.................................................85 Hình 3.23 Công tác bảo dưỡng mẫu đất tại hiện trường ...............................................85 Hình 3.24 Máy đo CBR controls model 70-T0108/E ...................................................86 Hình 3.25 Mối quan hệ giữa lực và biến dạng tương ứng với các mẫu 10, 30 và 65 chày đầm ........................................................................................................................86 vii Hình 3.26 Mối quan hệ giữa lực (kG) và biến dạng tương ứng (mm) với các mẫu 10, 30 và 65 chày đầm .........................................................................................................87 Hình 3.27 Xác định được CBR tương ứng với độ đặc tối ưu của đất gia cố ở ô 4 .......88 Hình 3.28 Sơ đồ mặt bằng các ô thi công thực nghiệm lần 2........................................88 Hình 3.29 Độ chặt của nền đất ở các vị trí gia cố lớp 2 với các đợt lu lèn ...................89 Hình 3.30 Cường độ chịu nén của mẫu đất gia cố tro bay và xi măng theo các ngày tuổi .................................................................................................................................91 Hình 3.31 Khả năng chịu tải CBR của mẫu đất gia cố tro bay và xi măng theo các ngày tuổi .......................................................................................................................................91 Hình 3.32 Modul đàn hồi của lớp đất thân đê gia cố được đo ở hiện trường................92 Hình 3.33 Cấu trúc hỗn hợp đất gia cố ở tuổi 14 ngày..................................................92 Hình 3.34 Cấu trúc hỗn hợp đất gia cố ở tuổi 28 ngày..................................................92 Hình 3.35 Khả năng chịu tải đất thân đê hiện trường đo trên lớp thứ 2 ........................94 Hình 3.36 Tính thấm của vật liệu gia cố qua thí nghiệm thấm trong phòng .................95 Hình 3.37 Vật liệu đất sét .............................................................................................. 96 Hình 3.38 Nước sạch .....................................................................................................96 Hình 3.39 Bộ đồ thí nghiệm thấm chuyên dụng............................................................ 97 Hình 3.40 Máy cắt tay ...................................................................................................97 Hình 3.41 Cắt hố thí nghiệm thấm ................................................................................97 Hình 3.42 Hố thí nghiệm đo thấm .................................................................................97 Hình 3.43 Lắp đặt dụng cụ thí nghiệm thấm tại hiện trường ........................................98 Hình 3.44 Quan sát và ghi chép số liệu theo thời gian ..................................................98 Hình 3.45 Trộn hỗn hợp bằng máy trộn tự hành 0,7m3...............................................102 Hình 3.46 Trộn hỗn hợp tập kết vào vị trí thi công .....................................................102 Hình 3.47 Dùng máy xúc kết hợp thủ công san gạt tạo phẳng ....................................103 Hình 3.48 Bù ẩm cho hỗn hợp trong quá trình lu lèn ..................................................104 Hình 3.49 Bảo dưỡng bằng phủ bao tải đay, tưới nước giữ ẩm ..................................104 Hình 3.50 Quan hệ cường độ chịu nén của mẫu đúc và mẫu khoan theo thời gian ....105 Hình 3.51 Quan hệ cường độ ép chẻ của mẫu đúc và mẫu khoan theo thời gian .......106 Hình 3.52 Quan hệ modul đàn hồi E theo thời gian ....................................................106 Hình 3.53 Kết cấu áo mặt đường đê đề xuất sau nghiên cứu ......................................107 Hình 4.1 Mặt cắt địa chất điển hình đê hữu Đuống đoạn từ Km21+600÷Km31+500 ....109 viii