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 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 FullerThomson, 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