Tổng quan luận án
Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu cơ sở khoa học đề xuất kết cấu mặt đê đảm bảo chống lũ và kết hợp giao thông" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Đặng Công Hưởng tại Trường Đại học Thủy lợi, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Hữu Huế và NGND. Lê Kim Truyền, bảo vệ năm 2018 thuộc chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy (mã số: 62580202).
Hệ thống đê sông tại Việt Nam được bồi đắp và tôn tạo qua nhiều thời kỳ lịch sử bằng phương pháp thủ công và nguồn đất tại chỗ, dẫn đến đặc tính thân đê có độ đồng nhất không cao và nền đê thường không qua xử lý kỹ thuật trước khi đắp. Trong bối cảnh phát triển kinh tế - xã hội, nhu cầu cứng hóa mặt đê phục vụ giao thông vận tải ngày càng gia tăng. Tuy nhiên, hoạt động cải tạo và nâng cấp các tuyến đê sông để kết hợp giao thông chủ yếu dựa trên kinh nghiệm hoặc áp dụng riêng rẽ các quy chuẩn kỹ thuật giao thông hoặc thủy lợi hiện hành mà chưa có quy chuẩn tích hợp cụ thể cho công trình đường trên mặt đê. Việc đào bỏ toàn bộ tuyến đê hiện hữu hoặc xây mới hoàn toàn một tuyến đê đa mục tiêu đòi hỏi chi phí lớn và không khả thi trong điều kiện thực tế. Khoảng trống nghiên cứu được xác định là sự thiếu vắng các nghiên cứu về việc tận dụng và xử lý lớp đất thân đê yếu tại chỗ bằng chất kết dính và phụ gia để đáp ứng yêu cầu kỹ thuật của lớp nền thượng, vừa đảm bảo chức năng ngăn lũ vừa chịu được tải trọng giao thông.
Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định rõ:
- 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.
Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:
- Đối tượng nghiên cứu: Các tuyến đê sông, trọng tâm là các tuyến đê sông kết hợp giao thông tại tỉnh Bắc Ninh; chất thải công nghiệp tro bay từ các nhà máy nhiệt điện lân cận khu vực tỉnh Bắc Ninh.
- Phạm vi nghiên cứu: Lớp đất thân đê trong phạm vi chịu tác dụng của tải trọng giao thông ở độ sâu từ 0,90 m đến 1,30 m tính từ mặt đê trở xuống; lớp cấp phối đá dăm làm móng mặt đường đê; địa bàn áp dụng thực nghiệm tại tuyến đê hữu Đuống, tỉnh Bắc Ninh (đoạn từ Km21+600 đến Km31+500).
Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án
Tại Việt Nam, các công trình nghiên cứu lịch sử đê điều của Phan Khánh ghi nhận sự hình thành các tuyến đê từ thời phong kiến qua các triều đại. Về phương diện quản lý liên ngành, Thông tư số 68-TTg ngày 25/06/1962 của Phủ Thủ tướng đã bước đầu quy định sự phối hợp giữa hai ngành Giao thông và Thủy lợi trong việc sử dụng đê làm đường. Các dự án nghiên cứu đê đa mục tiêu trên sông Hồng qua địa phận Hà Nội đã khảo sát việc kết hợp không gian ven sông và mặt cắt đê. Nghiên cứu của Trần Văn Tư chỉ ra các tai biến lún nứt mặt đê sông Hồng do ảnh hưởng của các tầng bùn yếu Hải Hưng và Thái Bình dưới tác động của tải trọng xe nặng.
Trong lĩnh vực gia cố đất bằng chất kết dính vô cơ tại Việt Nam:
- Công nghệ cọc đất vôi - xi măng theo công nghệ Thụy Điển xuất hiện từ đầu thập niên 1980 và cọc xi măng đất theo công nghệ Nhật Bản được ứng dụng tại các dự án như cao tốc Thành phố Hồ Chí Minh - Trung Lương và sân bay Cần Thơ.
- Nguyễn Quốc Đạt nghiên cứu thử nghiệm khoan phụt hóa chất kết hợp xi măng xử lý thấm khẩn cấp nền đê cát, cát pha trong mùa lũ.
- Nguyễn Việt Hùng đề xuất mô hình tính toán thông số thiết kế cọc xi măng đất gia cường nền đường đắp trên đất yếu.
- Thái Hồng Sơn và các cộng sự thí nghiệm gia cố đất yếu ven biển Đồng bằng sông Cửu Long với hàm lượng xi măng từ 10% đến 25%, khuyến nghị tỷ lệ tối thiểu trên 10%.
- Mai Anh Phương và các cộng sự thử nghiệm 80 mẫu nén trên 4 loại đất với hàm lượng xi măng 13% đến 23%, khẳng định quan hệ tuyến tính giữa hàm lượng xi măng và cường độ nén đơn trục $q_u$.
Trên thế giới, tài liệu hướng dẫn thiết kế đê sông của Bộ Giao thông, Công chính và Thủy lợi Hà Lan (1991) quy định tải trọng phương tiện tối thiểu trên mặt đê là 15 kN/m² trong phạm vi bề rộng 2,5 m. Nghiên cứu của Oderker (2013) phân loại 4 hình thái đê đa mục tiêu thích ứng biến đổi khí hậu tại Đức và Hà Lan. Tại Nhật Bản, mô hình đê an toàn cao (siêu đê) được xây dựng từ năm 1987 trên các lưu vực sông Tonegawa, Edogawa, Arakawa, Tamagawa, Yodogawa, Yamatogawa kết hợp đường khẩn cấp. Tại Mỹ, các quy định trên sông Mississippi và Sacramento hạn chế phương tiện công cộng trên đê và bắt buộc cấm đường trong mùa lũ. Nghiên cứu của Wei Hao tại Trung Quốc đề xuất các tiêu chuẩn hình học cho đường giao thông trên đê.
Về tỷ lệ gia cố xi măng và tro bay:
- Lan Wang khảo sát độ bền sunfat với tỷ lệ xi măng từ 4% đến 16%.
- Shiells và các cộng sự (2003) xác định định mức xi măng phương pháp trộn ướt (180–400 kg/m³) và trộn khô (90–180 kg/m³).
- Mitchell và Freitag (1959) xác định phạm vi xi măng thông thường 5–14% tùy loại đất:
| TT |
Loại đất |
Tỷ lệ xi măng với đất (%) |
| 1 |
Đất chứa sỏi, cát hạt thô, hạt mịn ít bùn sét |
$\le 5$ |
| 2 |
Đất cát xấu có lượng nhỏ bùn |
9 |
| 3 |
Loại đất cát còn lại |
7 |
| 4 |
Đất chứa bùn không dẻo hoặc dẻo vừa |
10 |
| 5 |
Đất sét dẻo |
$\ge 13$ |
- Law (1989) tại Viện Kỹ thuật Châu Á (AIT) kết luận trộn 10% xi măng vào đất sét Băng Cốc làm tăng cường độ nén nở hông 10 lần và hệ số cố kết 10–40 lần.
- DOH và JICA (1998) khuyến nghị hàm lượng xi măng 80–200 kg/m³ cho cọc xi măng đất sét mềm.
Khoảng trống nghiên cứu luận án lựa chọn giải quyết là: Các nghiên cứu trước đây chủ yếu tách rời giữa xử lý nền đê chống thấm thuần túy và thiết kế áo đường giao thông độc lập. Chưa có công trình nào xác lập cơ sở khoa học để xử lý cải tạo lớp đất dính yếu hiện trạng của thân đê (nằm trong vùng ảnh hưởng tải trọng động 0,90–1,30 m) kết hợp tro bay nhiệt điện và xi măng nhằm đạt các chỉ tiêu cơ lý của lớp nền thượng đường giao thông mà vẫn đảm bảo độ an toàn chống thấm và ổn định trượt mái đê sông.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Luận án dựa trên các lý thuyết và khung phân tích chuyên ngành:
- Lý thuyết phân bố ứng suất và phạm vi ảnh hưởng của tải trọng động giao thông: Dựa trên nghiên cứu của Dương Ngọc Hải và Nguyễn Xuân Trục, xác định vùng nền đường chịu tác động của tải trọng xe cơ giới truyền xuống có chiều sâu $Z_a = 0,90 \div 1,30$ m.
- Lý thuyết thành phần cấp phối cốt liệu: Ứng dụng đường cong cấp phối Fuller với các hệ số lũy thừa $n$ khác nhau để tối ưu hóa độ đặc của hỗn hợp đất và cấp phối đá dăm.
- Cơ chế hóa học và cấu trúc vi mô: Nghiên cứu phản ứng thủy hóa của xi măng kết hợp hiệu ứng puzolanic của tro bay thông qua ảnh chụp kính hiển vi điện tử quét (SEM) ở độ phóng đại 750 lần, đánh giá chỉ số biến đổi cường độ:
$$SDI = \frac{q_{u\text{-xử lý}}}{q_{u\text{-chưa xử lý}}}$$
- Lý thuyết tính toán kết cấu áo đường cứng bê tông xi măng có khe nối theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT: Xác định mô đun đàn hồi chung của nền đất và móng dưới ($E_t$), độ cứng tương đối ($R_g$), ứng suất do tải trọng trục xe tác dụng và ứng suất kéo uốn do gradient nhiệt độ.
- Lý thuyết thấm và cơ học đất dòng thấm không ổn định: Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn phân tích trường thấm, áp lực nước lỗ rỗng và hệ số ổn định trượt mái theo các phương pháp cân bằng giới hạn.
Phương pháp nghiên cứu thực tế:
- Phương pháp định tính và lịch sử: Phân tích lịch sử hình thành đê sông đồng bằng sông Hồng, hệ thống hóa văn bản quy phạm pháp luật (Quyết định 257/QĐ-TTg, Quyết định 3032/QĐ-BNN-TCTL, Thông tư 68-TTg) và quy hoạch giao thông tỉnh Bắc Ninh.
- Phương pháp thực nghiệm trong phòng:
- Thí nghiệm thành phần hạt, giới hạn chảy, giới hạn dẻo (Atterberg) của đất thân đê hữu Đuống (ĐHĐ).
- Thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn theo tiêu chuẩn 22 TCN 333:06 với công đầm tương ứng 10, 30 và 65 chày đầm nhằm xác định độ ẩm tối ưu và dung trọng khô lớn nhất.
- Thí nghiệm xác định chỉ số chịu tải CBR ngâm nước và không ngâm nước.
- Thí nghiệm xác định cường độ nén đơn trục bão hòa và không bão hòa ($R_n$), cường độ kéo khi ép chẻ ($R_{kc}$), mô đun đàn hồi ($E_{đh}$) ở tuổi 14 ngày của hỗn hợp đất gia cố xi măng phối hợp tro bay và cấp phối đá dăm gia cố.
- Thí nghiệm thấm trong phòng bằng thiết bị chuyên dụng.
- Phương pháp thực nghiệm hiện trường:
- Khoan lấy mẫu, đào bóc lớp đất mặt, cày xới làm tơi xốp đất thân đê bằng máy phay chuyên dụng.
- Trộn hỗn hợp đất, xi măng và tro bay bằng máy trộn tự hành dung tích 0,7 m³.
- Lu lèn các ô thực nghiệm qua 2 đợt, kiểm tra độ chặt lu lèn $K$.
- Đo sức chịu tải CBR hiện trường bằng thiết bị Controls model 70-T0108/E.
- Đo mô đun đàn hồi hiện trường bằng phương pháp ép đĩa cứng.
- Khoan lõi lấy mẫu kiểm tra cường độ nén và ép chẻ ở 14 và 28 ngày tuổi.
- Thí nghiệm đo hệ số thấm hiện trường bằng hố đào chuyên dụng.
- Lấy mẫu nước ngấm phân tích môi trường (mẫu NCH-01, NCH-02).
- Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng các mô đun chuyên dụng gồm SEEP/W (tính toán thấm), SLOPE/W (tính ổn định trượt mái thượng lưu và hạ lưu), SIGMA/W (tính toán biến dạng lún sau 30 năm và trường phân bố ứng suất).
- Phương pháp toán học xác suất thống kê: Tính toán số lượng mẫu thử $n$ dựa trên độ tin cậy và mức ý nghĩa $\alpha = 0,10$.
Nguồn dữ liệu:
- Số liệu địa chất công trình từ tài liệu khoan khảo sát các tuyến đê cấp I đến cấp IV tại Bắc Ninh (hữu Đuống, tả Đuống, hữu Thái Bình, hữu Cầu).
- Chuỗi số liệu thủy văn thiết kế từ các trạm thủy văn: Thượng Cát, Bến Hồ, Phả Lại, Cát Khê, Văn Thai, Mạnh Tân, Chã, Ba Xã, Đáp Cầu.
- Vật liệu thí nghiệm: Đất thân đê hữu Đuống (ĐHĐ); xi măng Nghi Sơn PCB40; tro bay Nhà máy Nhiệt điện Đông Triều (TBĐT) và Cẩm Phả (TBCP); cấp phối đá dăm loại 1.
Nội dung chính theo từng chương
Chương 1: Tổng quan về hệ thống đê sông kết hợp giao thông
Chương 1 trình bày tổng quan lịch sử phát triển đê sông thế giới và Việt Nam. Vùng đồng bằng sông Hồng có 3.417 km đê sông Bắc Bộ và 420 km đê vùng Thanh - Nghệ; riêng hệ thống sông Hồng có 1.667 km và hệ thống sông Thái Bình có 750 km đê. Chiều cao đê trung bình 6–8 m, không vượt quá 10 m.
Hệ thống đê sông tỉnh Bắc Ninh có mật độ lưới sông đạt 1,0–1,2 km/km², bao gồm:
- Tuyến đê cấp I: Đê hữu Đuống dài 38,00 km; đê tả Đuống dài 31,70 km; đê hữu Thái Bình dài 9,68 km.
- Tuyến đê cấp II: Tuyến đê hữu Cầu dài 53,50 km.
- Tuyến đê cấp III: Đê hữu Cà Lồ dài 6,25 km.
- Tuyến đê cấp IV: Tuyến tả và hữu sông Ngũ Huyện Khê tổng chiều dài 48,30 km (tả 24,80 km, hữu 23,50 km).
Đặc điểm thủy văn ghi nhận: Sông Đuống dài 68 km (qua Bắc Ninh 42 km), phân lưu 20–30% lượng lũ sông Hồng tại Sơn Tây, lưu lượng đỉnh lũ lớn nhất trên $9.000\text{ m}^3\text{/s}$, mực nước lũ lịch sử tại Bến Hồ tháng 8/1945 đạt +9,64 m, hàm lượng phù sa mùa mưa đạt 2,8 kg/m³. Sông Thái Bình qua tỉnh 10 km, lũ lịch sử tại Phả Lại năm 1971 đạt +7,21 m, lưu lượng lớn nhất tại Cát Khê đạt $5.000\text{ m}^3\text{/s}$. Sông Cầu dài 290 km (qua tỉnh 70 km), lưu lượng hàng năm khoảng 5 tỷ m³, lũ dâng +3 đến +6 m (cao nhất +8 m).
Mực nước thiết kế (MNTK) phòng lũ theo Quyết định số 3032/QĐ-BNN-TCTL:
| TT |
Vị trí trạm / công trình |
Tuyến sông |
Km đê tương ứng |
MNTK (m) |
| 1 |
Trạm TV Phả Lại |
Thái Bình |
K0+540 tả Thái Bình / K6+804 tả Thái Bình |
+7,20 |
| 2 |
Trạm TV Cát Khê |
Thái Bình |
K2 hữu Thái Bình |
+6,80 |
| 3 |
Cống Văn Thai |
Thái Bình |
K9+800 hữu Thái Bình |
+6,30 |
| 4 |
Trạm TV Mạnh Tân |
Cà Lồ |
K6+700 hữu Cà Lồ |
+9,50 |
| 5 |
Trạm TV Chã |
Cầu |
K2+750 đê Chã |
+11,10 |
| 6 |
Trạm TV Ba Xã (Phúc Lộc Phương) |
Cầu |
K28+800 hữu Cầu (K14+350 hữu Cà Lồ) |
+9,60 |
| 7 |
Trạm TV Đáp Cầu |
Cầu |
K59+350 hữu Cầu |
+8,30 |
| 8 |
Trạm TV Thượng Cát |
Đuống |
K1+995 hữu Đuống |
+12,80 |
| 9 |
Trạm TV Bến Hồ |
Đuống |
K32+500 tả Đuống |
+10,10 |
Cao trình đỉnh đê hiện trạng tại Bắc Ninh đều cao hơn MNTK: Tuyến hữu Đuống cao hơn 0,80–1,00 m; hữu Thái Bình cao hơn 1,25–1,80 m; tả Đuống cao hơn 0,60–1,00 m; hữu Cà Lồ cao hơn 0,80–1,00 m; hữu Cầu cao hơn 0,40–1,00 m.
Về quy hoạch giao thông, tuyến đê hữu sông Đuống đoạn Km24+000 đến Km31+500 thuộc đường tỉnh lộ 283 (ĐT283) với quy mô thiết kế đường cấp IV đồng bằng (vận tốc thiết kế 60 km/h) kết nối các vùng kinh tế. Đoạn đê qua khu vực này có địa chất thân đê lớp mặt chủ yếu là sét pha màu nâu vàng, dẻo cứng đến nửa cứng, bên dưới là sét pha dẻo mềm xen kẹp cát pha. Theo quy chuẩn kỹ thuật nền đường cấp IV, phạm vi 30 cm trên cùng phải đạt độ chặt lu lèn $K \ge 0,98$ và $CBR \ge 6$; 50 cm tiếp theo phải đạt $K \ge 0,95$ và $CBR \ge 4$. Lớp đất thân đê hiện trạng không đáp ứng được yêu cầu này nếu không được xử lý cải tạo.
Chương 2: Cơ sở khoa học để cải thiện đất thân đê đảm bảo yêu cầu chống lũ và kết hợp giao thông
Chương 2 phân tích cơ sở lý thuyết của các giải pháp gia cố nền đất yếu: thay thế nền, phương pháp cơ học (đầm rơi khối lượng 2–4 tấn thả rơi 4–5 m; đầm lăn xe lu bề mặt tác dụng sâu 0,5–0,6 m; đầm rung cho đất cát có hàm lượng hạt sét dưới 6% tác dụng sâu 0,3–1,5 m), phương pháp hóa học, vật lý và thủy lực học.
Cơ sở lựa chọn cấp phối dựa trên lý thuyết đường cong Fuller:
$$P = 100 \cdot \left(\frac{d}{D}\right)^n$$
với $n$ là thông số điều chỉnh độ chặt hỗn hợp. Luận án phân tích cơ chế hình thành cường độ khi phối trộn tro bay và xi măng vào đất dính: Các hạt tro bay có hình cầu mịn lấp đầy lỗ rỗng giữa các hạt sét, phản ứng thủy hóa của xi măng giải phóng $\text{Ca(OH)}_2$ kích hoạt phản ứng puzolanic thứ cấp với các khoáng $\text{SiO}_2$ và $\text{Al}_2\text{O}_3$ hoạt tính trong tro bay tạo thành gel C-S-H ($\text{calcium silicate hydrate}$) bền vững, giảm thể tích lỗ rỗng, hạ thấp hệ số thấm và nâng cao độ bền kháng cắt.
Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định các giải pháp gia cố đê kết hợp làm đường giao thông
Chương 3 trình bày các kết quả thử nghiệm trong phòng và hiện trường:
- Thí nghiệm trong phòng đối với đất đê hữu Đuống (ĐHĐ) phối trộn xi măng Nghi Sơn PCB40 và tro bay Nhà máy Nhiệt điện Đông Triều theo các tỷ lệ tro bay 0%, 10%, 15%, 20%:
- Độ ẩm tốt nhất và khối lượng thể tích khô lớn nhất thay đổi tương ứng theo tỷ lệ chất kết dính.
- Cường độ chịu nén đơn trục $R_n$ ở tuổi 14 ngày của các mẫu bão hòa và không bão hòa, cường độ ép chẻ $R_{kc}$ và mô đun đàn hồi $E_{đh}$ gia tăng tỷ lệ thuận với lượng chất kết dính.
- Thí nghiệm đối với cấp phối đá dăm (CPĐD) loại 1 gia cố tro bay và xi măng xác định được các chỉ tiêu $R_n$, $R_{kc}$ và $E_{đh}$ tuổi 14 ngày đạt yêu cầu kỹ thuật làm lớp móng đường.
- Thí nghiệm ngoài hiện trường tại đê hữu Đuống:
- Thi công thử nghiệm trên các ô hiện trường qua 2 đợt lu lèn.
- Đo độ chặt lu lèn $K$ đạt yêu cầu thiết kế.
- Thiết bị Controls model 70-T0108/E ghi nhận chỉ số sức chịu tải CBR tại các điểm đo ở tuổi 7 ngày và tuổi 14 ngày tăng vượt bậc so với nền đất tự nhiên, thỏa mãn yêu cầu lớp nền thượng đường cấp IV ($CBR > 6$).
- Mô đun đàn hồi hiện trường đo bằng đĩa ép cứng đạt giá trị thiết kế.
- Thí nghiệm thấm hiện trường bằng hố đào chuyên dụng chứng minh lớp đất thân đê gia cố có hệ số thấm đạt yêu cầu chống thấm của công trình đê cấp I.
- Kết quả phân tích chất lượng nước ngấm qua lớp đất gia cố (mẫu NCH-01 và NCH-02) cho thấy các chỉ tiêu hóa lý nằm trong giới hạn cho phép, không gây độc hại cho môi trường đất và nguồn nước xung quanh.
- So sánh giữa mẫu đúc trong phòng và mẫu khoan hiện trường ở tuổi 14 ngày và 28 ngày cho thấy các chỉ tiêu cường độ chịu nén và ép chẻ tương thích tốt, sai số nằm trong giới hạn thống kê cho phép.
Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu cho đê hữu Đuống, tỉnh Bắc Ninh
Chương 4 áp dụng giải pháp cho đoạn đê hữu Đuống từ Km21+600 đến Km31+500:
- Đề xuất kết cấu áo đường mới (PA2): Tấm mặt bê tông xi măng dày 22–24 cm; móng trên bằng cấp phối đá dăm gia cố tro bay và xi măng dày 15 cm; lớp nền thượng bằng đất thân đê tận dụng tại chỗ gia cố tro bay và xi măng dày 30 cm (chia làm 2 lớp thi công lu lèn đạt $K \ge 0,98$); dưới là thân đê hiện trạng cày xới đầm chặt đạt $K \ge 0,95$.
- Kiểm toán kết cấu theo Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT: Kết quả tính toán mô đun đàn hồi chung $E_t$, độ cứng tương đối $R_g$, ứng suất uốn do tải trọng trục xe thiết kế và ứng suất do gradient nhiệt độ đều thỏa mãn các điều kiện tới hạn theo quy định.
- Phân tích ổn định và mô phỏng số bằng phần mềm GeoStudio trên mặt cắt đại diện Km30+200:
- SEEP/W: Đường bão hòa dòng thấm hạ thấp khi qua vùng mặt đường và lớp đất gia cố; gradien thấm tại vùng thoát nước nhỏ hơn gradien thấm tới hạn.
- SLOPE/W: Hệ số ổn định mái đê phía sông và phía đồng trong các điều kiện làm việc (mực nước thiết kế lũ lịch sử, mực nước rút nhanh) đều đạt hệ số an toàn lớn hơn quy chuẩn thiết kế đê điều ($K_{min} \ge 1,30$).
- SIGMA/W: Độ lún cố kết tích lũy sau 30 năm khai thác của kết cấu đề xuất nhỏ hơn và phân bố ứng suất đồng đều hơn so với phương án truyền thống thay đất đắp mới.
- So sánh hiệu quả kinh tế: Chi phí xây dựng cho 1 km đê của phương án đề xuất (PA2) giảm so với phương án truyền thống (PA1) nhờ tận dụng 100% đất thân đê tại chỗ, không tốn chi phí vận chuyển đào bỏ và mua đất mỏ mới, đồng thời tiêu thụ khối lượng tro bay phế thải nhiệt điện.
- Quy trình tổ chức thi công và nghiệm thu: Chuẩn bị mặt bằng, đào và phay tơi đất tại chỗ, cấp phối tro bay và xi măng theo tỷ lệ tối ưu, trộn bằng máy trộn tự hành 0,7 m³, san gạt tạo phẳng, bù ẩm, lu lèn đạt độ chặt $K \ge 0,98$, bảo dưỡng ẩm bằng phủ bao tải đay tưới nước trong 7 ngày đầu.
Kết quả và những đóng góp mới
Các đóng góp mới của luận án:
- Về lý luận:
- Xác lập cơ sở khoa học về việc tận dụng lớp đất dính thân đê tại chỗ gia cố kết hợp tro bay phế thải nhiệt điện và xi măng để hình thành lớp nền thượng trong kết cấu mặt đường đê đa mục tiêu.
- Làm sáng tỏ cơ chế tương tác và biến đổi cường độ cơ học, khả năng chống thấm của hỗn hợp đất sét pha - tro bay - xi măng thông qua phân tích cấu trúc vi mô SEM và chuỗi thí nghiệm nén, kéo ép chẻ, mô đun biến dạng.
- Về thực tiễn:
- Đề xuất kết cấu mặt đường đê thích hợp (gồm tầng mặt bê tông xi măng, móng cấp phối đá dăm gia cố và lớp nền thượng bằng đất thân đê gia cố dày 30 cm) áp dụng thành công cho đoạn đê hữu Đuống (Km21+600 ÷ Km31+500).
- Xây dựng quy trình công nghệ thi công và hướng dẫn kiểm tra, nghiệm thu chất lượng lớp đất thân đê gia cố hiện trường bằng thiết bị trộn tự hành và công nghệ lu lèn phân tầng.
- Đề xuất giải pháp sử dụng lượng phế thải tro bay của các nhà máy nhiệt điện lân cận, góp phần bảo vệ môi trường và giảm chi phí đầu tư xây dựng mặt đê kết hợp giao thông.
Kiến nghị của tác giả: Tiếp tục theo dõi quan trắc biến dạng lâu dài của đoạn đê thí điểm và kiến nghị các cơ quan thẩm quyền ban hành chỉ dẫn kỹ thuật thiết kế, thi công mặt đường trên đê sông.
Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp
Hạn chế của nghiên cứu:
- Phạm vi địa chất thí nghiệm tập trung chủ yếu vào loại đất dính (sét pha, dẻo cứng đến dẻo mềm) đặc trưng của thân đê đồng bằng sông Hồng tại tỉnh Bắc Ninh từ mặt đê đến độ sâu 2,5 m; chưa khảo sát mở rộng đối với các loại đất thân đê có tính chất cát pha rời hoặc đất có hàm lượng hữu cơ cao.
- Đoạn tuyến áp dụng thử nghiệm thực tế giới hạn trong phạm vi 10 km (Km21+600 đến Km31+500 đê hữu Đuống).
- Số liệu quan trắc độ lún sau 30 năm chủ yếu dựa trên kết quả mô phỏng số bằng phần mềm SIGMA/W kết hợp chỉ tiêu cố kết ngắn hạn, cần thêm chuỗi số liệu quan trắc thực tế dài hạn dưới tác động rung động của tải trọng giao thông nặng.
Hướng nghiên cứu tiếp theo: Mở rộng nghiên cứu cấp phối cho các loại đất thân đê thuộc các vùng địa chất khác nhau (đồng bằng duyên hải miền Trung, đồng bằng sông Cửu Long) và nghiên cứu độ bền mỏi của lớp gia cố dưới tác động trùng phục của tải trọng xe trục nặng kết hợp ngập lũ kéo dài.
Giá trị tham khảo
Luận án cung cấp giá trị tham khảo chuyên môn:
- Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy, Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông và Địa kỹ thuật công trình: Tham khảo phương pháp phối trộn cốt liệu phế thải công nghiệp cải tạo đất dính yếu, quy trình thí nghiệm CBR hiện trường và phương pháp tính toán kiểm toán kết cấu áo đường cứng trên nền đê.
- Các kỹ sư thiết kế, tư vấn giám sát và đơn vị thi công: Ứng dụng quy trình công nghệ thi công lớp đất thân đê gia cố bằng máy phay tơi và máy trộn tự hành 0,7 m³, các tiêu chuẩn nghiệm thu độ chặt $K$ và mô đun đàn hồi hiện trường.
- Các cơ quan quản lý nhà nước (Sở Nông nghiệp và Phát triển nông thôn, Sở Giao thông vận tải tỉnh Bắc Ninh và các địa phương có hệ thống đê sông): Tham khảo để xây dựng đề án cứng hóa mặt đê kết hợp giao thông nông thôn và giao thông liên huyện, giải quyết mâu thuẫn giữa yêu cầu an toàn chống lũ và tải trọng giao thông đường bộ.
Câu hỏi thường gặp
-
Phạm vi chiều sâu của thân đê chịu ảnh hưởng trực tiếp của tải trọng giao thông được luận án xác định là bao nhiêu?
Phạm vi chiều sâu chịu tác dụng trực tiếp của tải trọng động giao thông từ đỉnh đê truyền xuống được luận án xác định nằm trong khoảng từ 0,90 m đến 1,30 m theo nghiên cứu của Dương Ngọc Hải và Nguyễn Xuân Trục.
-
Tần suất phòng lũ thiết kế và mực nước lũ thiết kế quy định cho tuyến đê hữu sông Đuống qua tỉnh Bắc Ninh là bao nhiêu?
Theo Quyết định số 257/QĐ-TTg, tần suất đảm bảo chống lũ thiết kế cho tuyến đê sông Đuống là $P = 0,33%$ (chu kỳ 300 năm). Mực nước lũ thiết kế tương ứng quy định tại Quyết định số 3032/QĐ-BNN-TCTL tại trạm thủy văn Thượng Cát là +12,80 m và tại trạm thủy văn Bến Hồ là +10,10 m.
-
Hỗn hợp vật liệu gia cố lớp nền thượng được tác giả lựa chọn gồm các thành phần nào?
Hỗn hợp gia cố gồm đất thân đê dính tại chỗ (ĐHĐ) phối trộn với chất kết dính là xi măng Nghi Sơn PCB40 kết hợp với phụ gia tro bay của nhà máy nhiệt điện (tro bay Đông Triều hoặc Cẩm Phả) theo tỷ lệ cấp phối tối ưu.
-
Quy chuẩn kỹ thuật nào được sử dụng để kiểm toán kết cấu áo đường cứng trong luận án?
Luận án sử dụng quy định kỹ thuật tại Quyết định số 3230/QĐ-BGTVT của Bộ Giao thông vận tải để tính toán mô đun đàn hồi chung $E_t$, độ cứng tương đối $R_g$, ứng suất tải trọng bánh xe, ứng suất uốn do nhiệt và kiểm tra các điều kiện tới hạn.
-
Các phần mềm chuyên dụng nào được dùng để kiểm tra an toàn đê tại Km30+200 đê hữu Đuống?
Tác giả sử dụng bộ phần mềm GeoStudio gồm: SEEP/W để kiểm tra ổn định thấm, SLOPE/W để kiểm tra ổn định trượt mái thượng lưu và hạ lưu đê, và SIGMA/W để phân tích trường ứng suất và biến dạng lún sau 30 năm khai thác.
Kết luận
Luận án tiến sĩ của Đặng Công Hưởng đã giải quyết bài toán giao thoa kỹ thuật giữa an toàn chống lũ thủy lợi và tiêu chuẩn khai thác đường giao thông trên đỉnh đê sông. Bằng phương pháp nghiên cứu lý thuyết kết hợp thực nghiệm trong phòng và hiện trường, tác giả đã chứng minh tính khả thi của giải pháp sử dụng tro bay nhiệt điện kết hợp xi măng để gia cố đất thân đê tại chỗ phục vụ làm lớp nền thượng cho kết cấu mặt đường. Kết quả tính toán kiểm toán kết cấu và phân tích thấm, trượt, lún trên tuyến đê hữu Đuống (Km21+600 ÷ Km31+500) khẳng định công trình đáp ứng yêu cầu kỹ thuật, bảo đảm an toàn môi trường và mang lại hiệu quả kinh tế so với phương án đắp mới truyền thống.
