Tổng quan luận án

Công trình nghiên cứu "Nghiên cứu xác định chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc và mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Mạnh Trường dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Nguyễn Thanh Bằng và GS. Hồ Sĩ Minh tại Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam. Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy, tiếp cận theo hướng thực nghiệm kết hợp giải tích và mô hình toán học.

Bờ biển Việt Nam có chiều dài hơn 3.260 km, trải dài từ Bắc vào Nam với hệ thống đê biển đóng vai trò là cơ sở hạ tầng quan trọng phục vụ phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm an ninh quốc phòng và phòng chống thiên tai. Đê biển chịu tác động trực tiếp và liên tục từ các yếu tố tự nhiên phức tạp như sóng biển, triều cường, bão gió và hiện tượng nước biển dâng. Các giải pháp gia cố bảo vệ mái đê truyền thống đang áp dụng phổ biến tại Việt Nam bao gồm: trồng cỏ, đá hộc thả rối, đá hộc lát khan, đá hộc xây, thảm rọ đá, tấm bê tông đúc sẵn ghép rời hoặc liên kết mảng. Những kết cấu này bộc lộ nhiều hạn chế kỹ thuật: dễ bị xói lở cục bộ khi chịu sóng lớn vượt tần suất thiết kế, lớp bê tông dễ bị nước biển ăn mòn làm giảm tuổi thọ, chi phí duy tu thay thế định kỳ tốn kém và thời gian thi công kéo dài.

Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc (Fully Grouted Stone Asphalt - FGSA) đã được các quốc gia như Hà Lan ứng dụng từ những năm 1960 nhằm tạo ra lớp bảo vệ có tính biến dạng dẻo, đàn hồi tốt, thích ứng mềm với các biến dạng lún sụt không đều của thân và nền đê biển. Tại Việt Nam, đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước mã số ĐTĐL.2012-T/06 do Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam chủ trì đã bước đầu nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu này. Tuy nhiên, hai khoảng trống nghiên cứu kỹ thuật lớn vẫn chưa được giải quyết:

  1. Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc chưa có công thức tính toán giải tích hoặc thực nghiệm; việc xác định chiều sâu thâm nhập và lựa chọn độ nhớt hỗn hợp asphalt khi thiết kế cấp phối hoàn toàn dựa vào kinh nghiệm và quy trình thử dần lặp lại trên mô hình vật lý gây tốn kém thời gian và chi phí.
  2. Chiều dày lớp gia cố bảo vệ mái đê theo công thức giải tích đòi hỏi phải có giá trị mô đun độ cứng hay mô đun đàn hồi ($S = E$). Việc xác định thông số này trước đây chủ yếu dựa vào toán đồ tra sẵn của quốc tế có khoảng chia lớn dẫn đến sai số cao, trong khi thí nghiệm đo trực tiếp ngoài hiện trường trên các đoạn đê thử nghiệm quy mô lớn đòi hỏi chi phí và nguồn lực rất lớn.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định cụ thể gồm:

  1. Thiết lập mối quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc và độ nhớt hỗn hợp asphalt cho kết cấu bảo vệ mái đê biển Việt Nam.
  2. Thiết lập mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc ở trong phòng thí nghiệm và hiện trường.
  3. Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt và mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển được kiểm tra, tính toán trên mô hình áp dụng thực tế.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Kè đá hộc bảo vệ mái đê phía biển, dạng kết cấu mái nghiêng với hệ số mái dốc $m = 3 \div 4$ tại các tỉnh ven biển phía Bắc.
  • Phạm vi nghiên cứu: Quá trình thâm nhập của hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc và một số chỉ tiêu cơ học đặc trưng của vật liệu và kết cấu bảo vệ mái đê biển.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Tổng quan tài liệu quốc tế cho thấy việc sử dụng nhựa đường trong kỹ thuật thủy lợi bắt đầu từ giữa thế kỷ XX. Tại Hà Lan, sau biến cố vỡ đê do bão biển năm 1953 và tình trạng khan hiếm vật liệu truyền thống, vật liệu bitum kết hợp đá đã được nghiên cứu áp dụng rộng rãi. Ấn phẩm nền tảng đầu tiên là cuốn sách về nhựa đường trong kỹ thuật thủy lợi của Baron van Asbeck, xuất bản bởi Shell International năm 1955 và tập hai vào năm 1964. Nhóm nghiên cứu "gesloten dijkbekledingen" công bố báo cáo khởi đầu "voorlopig rapport" năm 1961 phân tích thành phần, độ bền và kinh nghiệm thi công. Ban cố vấn kỹ thuật cho các công trình thủy lợi Hà Lan công bố các tài liệu hướng dẫn kỹ thuật vào năm 1984 và báo cáo kỹ thuật về nhựa đường cho công trình ngăn nước năm 2002. Cẩm nang kỹ thuật Thủy lợi của Shell xuất bản năm 1999 tiếp tục cập nhật các thuộc tính của bitum. Các tiêu chuẩn kỹ thuật quốc tế tương ứng gồm Tiêu chuẩn Anh BS 3690 (1989) Phần 1 và hướng dẫn DGGT EAAf 83 (1983, ấn bản lần 4 năm 1996) của Đức.

Nhiều nghiên cứu thực địa và mô hình vật lý quy mô lớn đã được tiến hành ở nước ngoài. Thí nghiệm thực địa tại Kruiningen dọc theo cửa sông Westerschelde (Tây Nam Hà Lan) đã kiểm tra áp lực đẩy nổi tác dụng lên mái kè đá bazan chèn vữa asphalt; kết quả ghi nhận áp lực đẩy nổi tối đa làm mái kè nâng lên xấp xỉ 16 mm (1 ÷ 2 cm) mà không gây phá hoại kết cấu do nước tạo thành lớp màng mỏng thoát dọc theo tầng lọc xuống chân kè. Frissen (2002) thiết lập mô hình số phần tử hữu hạn DIANA (kế thừa Frissen và cộng sự, 1997) tính toán biến dạng phi tuyến của kè dưới tác dụng của lực kéo và áp lực đẩy nổi. Thí nghiệm mô hình máng sóng lớn Deltaflume của Delft Hydraulics (Smith và cộng sự, 2000) chịu các đợt sóng từ $H_s = 0,76$ m, $T_p = 3,4$ s đến $H_s = 1,56$ m, $T_p = 5,3$ s mà không xuất hiện hư hỏng. Các công trình tiêu biểu ứng dụng công nghệ này bao gồm đê chắn sóng Hook of Holland, kè đê bến cảng phía Bắc Harlingen (Hà Lan) và các tuyến đê biển sử dụng đá bazan chèn vữa asphalt tại vùng Tây Nam Hà Lan.

Theo số liệu của Hiệp hội Mặt đường Asphalt Châu Âu (EAPA), tính đến năm 2007, tổng sản lượng asphalt sử dụng cho các công trình thủy lợi và đê biển trên thế giới đạt 1.600 triệu tấn:

Khu vực sử dụng asphalt Sản lượng (triệu tấn)
Bắc Mỹ 550
Châu Á 495
Châu Âu (kể cả Liên bang Nga) 435
Nam Mỹ 45
Trung Mỹ 35
Châu Phi 30
Australia 10

Các nghiên cứu nước ngoài thiết lập bảng quan hệ giữa chiều cao sóng tính toán và chiều dày yêu cầu của các dạng kết cấu bảo vệ:

Chiều cao sóng (m) Bê tông asphalt (m) Đá xếp chèn asphalt (m) Asphalt cát (m)
2 0,10 0,20 0,40
3 0,20 0,40 0,80
4 0,30 0,65 —
5 0,40 0,90 —

Tại Việt Nam, đề tài cấp nhà nước ĐTĐL.2012-T/06 đã xây dựng quy trình sản xuất, công nghệ thi công và kiểm tra chất lượng cho ba dạng vật liệu: bê tông asphalt, hỗn hợp asphalt nhiều đá và hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc. Tuy nhiên, đề tài này tính toán chiều dày kết cấu bằng cách tra biểu đồ lập sẵn với độ chính xác hạn chế và xác định độ nhớt thiết kế hỗn hợp thông qua phương pháp thử dần. Luận án của Nguyễn Mạnh Trường định vị trực tiếp vào việc bổ khuyết hai khoảng trống: xây dựng công thức thực nghiệm xác định tương quan giữa chiều sâu thâm nhập, kích thước đá hộc và độ nhớt; đồng thời thiết lập mối quan hệ thực nghiệm giữa mô đun đàn hồi trong phòng thí nghiệm và hiện trường nhằm cung cấp thông số đầu vào chính xác cho công thức giải tích tính chiều dày lớp gia cố mái đê biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Vật liệu hỗn hợp asphalt biểu hiện đặc tính nhớt - đàn hồi phụ thuộc vào nhiệt độ môi trường và thời gian tác dụng của tải trọng. Ở dải nhiệt độ thấp và thời gian gia tải ngắn (như tác động xung kích của sóng biển), vật liệu thể hiện tính chất đàn hồi thuần túy; ở dải nhiệt độ cao và thời gian tải trọng kéo dài, vật liệu chuyển sang trạng thái dẻo - dính. Mô đun đàn hồi $E$ được xác định theo định luật Young: $$E = \frac{\sigma}{\varepsilon}$$ Trong đó $\sigma$ là ứng suất và $\varepsilon$ là biến dạng đàn hồi. Đối với hỗn hợp asphalt, mô đun độ cứng $S$ phụ thuộc vào thời gian đặt tải $t$ và nhiệt độ $T$: $$S(t, T) = \frac{\sigma}{\varepsilon}$$ Khi thời gian gia tải rất ngắn, mô đun độ cứng đạt xấp xỉ mô đun đàn hồi ($S = E$). Toán đồ Shell (1977) và biểu đồ Van de Poel (1954) cho phép dự tính độ cứng của bitum và hỗn hợp dựa trên độ kim lún và thể tích các thành phần cốt liệu, bitum.

Công thức giải tích tính toán chiều dày lớp gia cố bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc được xác định theo: $$h = 0,75 \cdot \left[ \frac{5}{16} \frac{27}{(1 - \nu^2)} \frac{1}{\sigma_b} \frac{P}{c} S \right]$$ Trong đó:

  • $h$: Chiều dày lớp kết cấu gia cố (m);
  • $\sigma_b$: Ứng suất phá hỏng của vật liệu hỗn hợp asphalt ($N/m^2$);
  • $P$: Áp lực sóng tác dụng ($N/m$);
  • $S$: Mô đun độ cứng (mô đun đàn hồi) của vật liệu ($N/m^2$);
  • $\nu$: Hệ số Poisson của vật liệu hỗn hợp asphalt;
  • $c$: Mô đun phản lực nền ($N/m^3$);
  • $0,75$: Hệ số chiết giảm an toàn.

Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm được triển khai đồng bộ:

  • Thí nghiệm độ nhớt hỗn hợp asphalt: Sử dụng phễu đo Kerkhoven. Công thức tính toán độ nhớt hỗn hợp $\eta_m$ (Pa.s): $$\eta_m = 43,5 \cdot \rho \cdot g \cdot t \cdot 10^{-6}$$ với $\rho$ là khối lượng riêng hỗn hợp ($kg/m^3$), $g$ là gia tốc trọng trường ($m/s^2$), $t$ là thời gian chảy hết 1 lít hỗn hợp (s).
  • Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Sử dụng mô hình quy hoạch thực nghiệm bậc hai với 5 thí nghiệm ở tâm nhằm thiết lập phương trình hồi quy đa biến giữa chiều sâu thâm nhập $l$ với kích thước đá hộc $D$ và độ nhớt $\eta_m$. Phân tích phương sai ANOVA được sử dụng để kiểm định ý nghĩa thống kê của các hệ số hồi quy và tính tương thích của mô hình toán học.
  • Thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi:
    • Trong phòng thí nghiệm: Đúc mẫu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, sử dụng thiết bị nén dọc trục để đo ứng suất và biến dạng đàn hồi tại các mức nhiệt độ thí nghiệm khác nhau.
    • Ngoài hiện trường: Đo mô đun đàn hồi bằng phương pháp tấm ép cứng kết hợp kích thủy lực, đồng hồ đo biến dạng và hệ thống chất tải phản lực bằng máy đào trên kết cấu mái kè đê biển thực tế.
  • Vật liệu và tiêu chuẩn thí nghiệm: Sử dụng bitum đặc gốc dầu mỏ mác 60/70 thỏa mãn tiêu chuẩn TCVN 7493-2005, cát vàng tự nhiên, bột khoáng nghiền từ đá vôi hoặc đôlômit có cường độ nén đá gốc trên 20 MPa, đá hộc tự nhiên và các thiết bị thí nghiệm tuân thủ tiêu chuẩn TCVN, ASTM, AASHTO. Nguồn số liệu kiểm chứng và đối sánh được kế thừa từ đề tài KHCN cấp nhà nước mã số ĐTĐL.2012-T/06.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về vật liệu và kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

Chương 1 hệ thống hóa các dạng mặt cắt ngang đê biển (gồm đê mái nghiêng, đê tường đứng và đê hỗn hợp) cùng 8 dạng kết cấu bảo vệ mái kè phổ biến tại Việt Nam. Tác giả phân tích cấu tạo ba bộ phận của kè (đỉnh kè, thân kè, chân kè) và chỉ ra các khuyết tật điển hình của lớp gia cố truyền thống khi chịu tác động sóng va, xói ngầm và ăn mòn hóa học.

Nội dung trọng tâm của chương là phân tích tính chất của vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc (FGSA). Hỗn hợp chứa hàm lượng bitum cao từ 14% đến 20% tổng khối lượng; ở nhiệt độ thi công 120°C ÷ 170°C, hỗn hợp ở trạng thái nhớt lỏng có khả năng tự chảy chèn đầy khe rỗng giữa các viên đá hộc mà không cần tác động lu lèn. Cốt liệu cát tạo bộ khung chịu lực, bột khoáng lấp đầy lỗ rỗng vi mô làm tăng diện tích tiếp xúc và ổn định màng bitum, trong khi bitum mác 60/70 đóng vai trò chất kết dính đàn hồi - dẻo.

Chương này trích dẫn kết quả đo độ nhớt bằng thiết bị Kerkhoven từ 24 cấp phối thí nghiệm của đề tài ĐTĐL.2012-T/06, làm rõ quy luật biến thiên độ nhớt hỗn hợp asphalt:

Ký hiệu cấp phối Tỷ lệ thành phần (% khối lượng) Bitum Bột đá Cát Đá dăm Độ nhớt $\eta_m$ (Pa.s) ở 120°C Độ nhớt $\eta_m$ (Pa.s) ở 140°C Độ nhớt $\eta_m$ (Pa.s) ở 160°C
CP 1.5 12 16 60 12 63,9 54,6 36,1
CP 1.6 12 18 50 20 66,7 56,5 37,0
CP 2.6 13 18 55 14 57,0 41,4 29,4
CP 4.5 15 18 53 14 39,0 16,3 14,5
CP 4.6 15 21 50 14 42,6 17,2 14,5

Từ số liệu thực nghiệm, tác giả rút ra quy luật:

  • Khi nhiệt độ tăng từ 120°C lên 160°C, độ nhớt giảm rõ rệt (ví dụ CP 4.5 giảm từ 39,0 Pa.s xuống 14,5 Pa.s).
  • Khi hàm lượng bitum tăng từ 12% lên 15%, độ nhớt giảm mạnh (ở 140°C, CP 1.6 đạt 56,5 Pa.s giảm xuống 17,2 Pa.s ở CP 4.6).
  • Tăng hàm lượng bột đá trong khoảng nhất định giúp hỗn hợp dễ chảy hơn, nhưng nếu vượt ngưỡng (tăng lên 18% - 21%), độ nhớt có xu hướng tăng trở lại do hỗn hợp đặc quánh.

Đồng thời, chương tổng hợp các thông số mô đun đàn hồi thực tế từ tiêu chuẩn thiết kế áo đường mềm của Việt Nam nhằm làm cơ sở so sánh:

Loại vật liệu Mô đun đàn hồi $E$ (MPa) ở 10 - 15°C Ở 30°C Ở 60°C
Bê tông nhựa chặt (đá dăm 50%) 1800 - 2200 420 300
Bê tông nhựa chặt (đá dăm 35%) 1600 - 2000 350 250
Bê tông nhựa chặt (đá dăm 20%) 1200 - 1600 280 200
Bê tông nhựa rỗng 1200 - 1600 320 250
Bê tông nhựa cát — 225 190
Đá dăm đen nhựa đặc chêm chèn 800 - 1000 350 —
Thấm nhập nhựa 400 - 600 280 - 320 —
Đá, sỏi trộn nhựa lỏng 400 - 500 220 - 250 —

Các công thức tương quan thực nghiệm đã biết giữa mô đun đàn hồi hiện trường $E_0$ (tấm ép cứng) và chỉ số CBR mẫu trong phòng tại Trung Quốc ($E_0 = 5,76 \cdot CBR^{0,70}$ tại An Huy; $E_0 = 15,55 \cdot CBR^{0,58}$ tại Quảng Tây) và Việt Nam ($R^2 = 0,91$) được phân tích để định hướng phương pháp luận thiết lập tương quan cho kết cấu FGSA.

Chương 2: Cơ sở khoa học và phương pháp nghiên cứu

Chương 2 đi sâu phân tích cơ chế và các nhân tố vật lý ảnh hưởng đến chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc:

  • Độ nhớt hỗn hợp asphalt: Quyết định khả năng chảy len lỏi qua các khe rỗng hẹp. Độ nhớt thấp làm tăng chiều sâu thâm nhập nhưng nếu quá thấp sẽ gây chảy sụt xuống chân mái dốc; độ nhớt cao khiến hỗn hợp đông kết trên bề mặt, không chèn kín đáy lớp đá. Nhiệt độ thi công tối ưu được xác định từ 130°C đến 170°C đối với bitum mác 60/70.
  • Kích thước đá hộc: Viên đá hộc càng lớn thì kích thước lỗ rỗng giữa các viên đá càng lớn, lực cản dòng chảy giảm, làm tăng chiều sâu thâm nhập.
  • Độ nhám bề mặt đá: Tạo lực cản ma sát đối với dòng vữa asphalt. Đối với một mỏ đá khai thác cụ thể, độ nhám được xem là hằng số và ảnh hưởng của độ nhám giảm dần khi kích thước đá hộc tăng lên.
  • Nhiệt độ môi trường: Chênh lệch giữa nhiệt độ hỗn hợp (130 ÷ 170°C) và nhiệt độ đá hộc tự nhiên (15 ÷ 35°C) làm nguội hỗn hợp. Tuy nhiên do thời gian chảy lấp đầy khe rỗng diễn ra rất ngắn nên mức độ ảnh hưởng của nhiệt độ môi trường đến độ thâm nhập là thứ yếu.
  • Độ dốc mái đê: Nghiên cứu cố định phạm vi mái nghiêng $m = 3 \div 4$. Nếu độ nhớt quá thấp trên mái dốc, hỗn hợp sẽ chảy dồn xuống chân kè tạo vữa thừa cục bộ.

Về mô đun đàn hồi của kết cấu, chương xác định các nhân tố ảnh hưởng bao gồm nhiệt độ kết cấu, thời gian gia tải, hàm lượng bitum và khung cốt liệu đá hộc. Tác giả lựa chọn phương pháp quy hoạch thực nghiệm trực giao bậc hai để xây dựng mô hình toán xác định chiều sâu thâm nhập, kết hợp hệ thống đo nén nén tĩnh trong phòng và đo tấm ép cứng ngoài hiện trường.

Chương 3: Xác định chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc và mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và xử lý số liệu:

  • Xác định chiều sâu thâm nhập:
    • Thiết lập ma trận kế hoạch hóa thực nghiệm bậc hai với các biến đầu vào: kích thước đá hộc và độ nhớt hỗn hợp asphalt.
    • Thí nghiệm kiểm tra cơ lý vật liệu đầu vào gồm: cát vàng, bột đá vôi, bitum 60/70 và đá hộc.
    • Đo chiều sâu thâm nhập thực tế trên mô hình máng nghiêng mô phỏng mái đê.
    • Xử lý số liệu bằng phương pháp phân tích phương sai ANOVA đối với hàm mục tiêu chiều sâu thâm nhập $l$. Loại bỏ các hệ số không có ý nghĩa thống kê, xây dựng phương trình hồi quy thực nghiệm dạng toán học biểu diễn mối quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với kích thước đá hộc và độ nhớt. Lập bảng tra chiều sâu thâm nhập tương ứng với các cấp độ nhớt và kích cỡ đá phục vụ tính toán nhanh.
  • Xác định mô đun đàn hồi:
    • Thí nghiệm trong phòng: Chế tạo mẫu thử hỗn hợp asphalt chèn đá hộc, nén xác định mô đun đàn hồi trong phòng ($E_{tp}$) ở các dải nhiệt độ làm việc.
    • Thí nghiệm hiện trường: Đo đạc mô đun đàn hồi hiện trường ($E_{ht}$) bằng kích thủy lực, đồng hồ đo biến dạng và tấm ép cứng có phản lực tải trọng từ máy đào trên các điểm đo thuộc mặt cắt kè.
    • Phân tích tương quan: Xây dựng biểu đồ tương quan giữa nhiệt độ với $E_{tp}$ và $E_{ht}$, biểu đồ tán xạ giữa $E_{ht}$ và $E_{tp}$. Kết quả cho thấy mối liên hệ hàm số thực nghiệm giữa mô đun đàn hồi đo tại hiện trường và mô đun đàn hồi xác định trong phòng thí nghiệm, cho phép quy đổi thông số phục vụ thiết kế mà không bắt buộc phải thử nghiệm hiện trường quy mô lớn.

Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu cho kết cấu bảo vệ mái đê biển Hải Hậu - Nam Định

Chương 4 kiểm chứng các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm vào đoạn đê biển Cồn Tròn thuộc huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định. Đây là khu vực bờ biển xung yếu thường xuyên chịu sóng lở và áp lực đẩy nổi lớn:

  • Ứng dụng mô đun đàn hồi tính toán thiết kế:
    • Xác định các điều kiện biên: áp lực sóng tính toán lớn nhất tác dụng lên mái dốc, phản lực nền đê $c$, hệ số Poisson $\nu$ và ứng suất kéo uốn phá hỏng $\sigma_b$.
    • Tính toán chiều dày lớp gia cố $h$ theo công thức giải tích (sử dụng mô đun đàn hồi xác định được từ phương pháp của luận án).
    • Kiểm tra điều kiện an toàn ổn định của lớp gia cố dưới tác động của áp lực đẩy nổi ngầm dưới đáy tầng phủ và tác động của sóng dội bề mặt.
  • Ứng dụng xác định chiều sâu thâm nhập và kiểm chứng thực địa:
    • Thi công mô hình thử nghiệm tại hiện trường kè đê Hải Hậu bằng hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc.
    • So sánh đánh giá giá trị độ nhớt thiết kế và chiều sâu thâm nhập thu được từ công thức của luận án với các kết quả thực tế của đề tài cấp nhà nước ĐTĐL.2012-T/06. Kết quả chứng minh tính phù hợp của cấp phối và độ sâu chèn lấp kín khít giữa các khe rỗng đá hộc.
    • Tiến hành thí nghiệm cơ học kiểm tra chất lượng tại hiện trường bằng phương pháp rút viên đá hộc ra khỏi khối đổ kết cấu để đo lực dính bám và độ liên kết tổng thể của lớp vật liệu.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án tự xác định các đóng góp mới về mặt lý luận khoa học và thực tiễn kỹ thuật:

  1. Xây dựng phương pháp luận khoa học và thiết lập công thức thực nghiệm xác định chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc theo kích thước đá hộc và độ nhớt hỗn hợp. Kết quả này giúp chuyển đổi phương thức thiết kế cấp phối từ phương pháp thử dần theo kinh nghiệm sang tính toán khoa học, cho phép xác định chính xác độ nhớt yêu cầu tương ứng với chiều dày lớp đá hộc thiết kế.
  2. Xây dựng phương pháp luận và thiết lập công thức thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, làm rõ mối tương quan giữa mô đun đàn hồi thí nghiệm trong phòng ($E_{tp}$) và mô đun đàn hồi đo đạc tại hiện trường ($E_{ht}$).

Về mặt ứng dụng và kiến nghị giải pháp:

  • Luận án cung cấp cơ sở dữ liệu và phương pháp xác định thông số mô đun độ cứng $S$ để ứng dụng trọn vẹn công thức giải tích tính chiều dày lớp gia cố mái kè đê biển $h = 0,75 \cdot [\frac{5}{16}\frac{27}{(1-\nu^2)}\frac{1}{\sigma_b}\frac{P}{c}S]$, khắc phục các sai số lớn do tra toán đồ kinh nghiệm quốc tế trước đây.
  • Đề xuất các yêu cầu kỹ thuật về kiểm soát nhiệt độ thi công hỗn hợp asphalt chèn đá hộc trong khoảng 130°C ÷ 170°C đối với bitum mác 60/70 và phương pháp nghiệm thu chất lượng thi công ngoài hiện trường bằng tấm ép cứng và thí nghiệm kéo rút viên đá.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của luận án gắn liền với phạm vi nghiên cứu thực nghiệm:

  • Các thí nghiệm và mô hình thực nghiệm của luận án tập trung chủ yếu vào loại kết cấu mái dốc nghiêng $m = 3 \div 4$ tại dải bờ biển các tỉnh phía Bắc.
  • Độ nhám bề mặt đá hộc được coi là hằng số tương đối theo một nguồn mỏ đá cụ thể; chưa khảo sát đầy đủ biến thiên độ nhám đối với nhiều nguồn đá gốc khác nhau trên cả nước.
  • Loại chất kết dính nghiên cứu trọng tâm là bitum mác 60/70; các loại mác bitum khác như 40/60 hay 80/100 chưa được thiết lập hệ thống phương trình thực nghiệm chi tiết.

Hướng nghiên cứu tiếp theo:

  • Mở rộng phạm vi thực nghiệm cho các mặt cắt đê biển có hệ số mái dốc khác ($m < 3$ hoặc mái dốc gãy khúc) và các vùng ven biển miền Trung, miền Nam với điều kiện nền địa chất và chế độ sóng gió khác biệt.
  • Nghiên cứu độ bền lâu dài và quá trình lão hóa nhiệt ẩm, oxy hóa của màng bitum trong môi trường nước mặn nhiệt đới dưới tác động kết hợp của tia cực tím và thay đổi mực nước triều định kỳ.

Giá trị tham khảo

Nội dung và kết quả của luận án mang lại giá trị tham khảo chuyên môn cho các đối tượng:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật công trình thủy, Công trình biển, Kỹ thuật tài nguyên nước và Vật liệu xây dựng: Luận án cung cấp phương pháp luận quy hoạch thực nghiệm và cơ sở cơ học nhớt - đàn hồi ứng dụng cho vật liệu bitum trong môi trường thủy lực.
  • Kỹ sư thiết kế công trình thủy lợi, đê kè ven biển: Sử dụng các công thức thực nghiệm và bảng tra chiều sâu thâm nhập để thiết kế cấp phối hỗn hợp asphalt chèn đá hộc; ứng dụng giá trị mô đun đàn hồi vào công thức giải tích tính toán chiều dày kết cấu thay cho việc tra biểu đồ.
  • Các cơ quan quản lý đê điều, ban quản lý dự án thủy lợi ven biển, nhà thầu thi công: Tham khảo quy trình công nghệ thi công trên mái nghiêng, các chỉ dẫn về kiểm soát nhiệt độ thi công (130 ÷ 170°C) và phương pháp thí nghiệm hiện trường nghiệm thu kết cấu (phương pháp tấm ép cứng và thí nghiệm rút viên đá hộc).

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc (FGSA) có ưu điểm cơ học gì so với bê tông và đá xếp truyền thống trong gia cố mái đê biển?
Vật liệu FGSA có hàm lượng bitum cao (14% ÷ 20%), sở hữu đặc tính nhớt - đàn hồi. Khi chịu tác động của sóng biển trong thời gian ngắn, vật liệu có độ cứng chịu lực tốt; khi nền đê hoặc thân đê bị lún sụt biến dạng chậm theo thời gian, lớp kết cấu có khả năng biến dạng uốn dẻo thích ứng mềm mà không bị nứt gãy, đồng thời bitum giúp chống lại sự ăn mòn hóa học của nước biển tốt hơn bê tông xi măng.

2. Nhiệt độ và hàm lượng bột khoáng ảnh hưởng như thế nào đến độ nhớt của hỗn hợp asphalt?
Nhiệt độ tỷ lệ nghịch với độ nhớt: khi nhiệt độ tăng từ 120°C lên 160°C, hỗn hợp linh động hơn và độ nhớt giảm rõ rệt. Đối với bột khoáng (bột đá), khi tăng hàm lượng trong một giới hạn nhất định, độ nhớt của hỗn hợp giảm giúp vữa dễ chảy; tuy nhiên khi hàm lượng bột đá vượt ngưỡng tối ưu (từ 18% ÷ 21%), độ nhớt sẽ tăng trở lại do hỗn hợp trở nên đặc quánh.

3. Tại sao không thể sử dụng độ nhớt quá thấp khi rót hỗn hợp asphalt lên mái nghiêng đê biển?
Nếu độ nhớt của hỗn hợp asphalt quá thấp (quá linh động), khi rót vào lớp đá hộc trên mái nghiêng $m = 3 \div 4$, hỗn hợp sẽ không giữ được trong các lỗ rỗng mà chảy dồn xuống chân mái dốc, gây mất liên kết ở phần trên và tạo lớp vữa thừa lãng phí ở chân kè, đồng thời làm tăng chi phí do phải tăng hàm lượng bitum.

4. Thiết bị và phương pháp nào được sử dụng để đo mô đun đàn hồi hiện trường của lớp kết cấu FGSA trong luận án?
Mô đun đàn hồi hiện trường được xác định bằng phương pháp nén tĩnh sử dụng tấm ép cứng, kích thủy lực và đồng hồ đo biến dạng kế tại các điểm đo bố trí trên mái kè, với hệ thống đối tải phản lực là máy đào thi công tại hiện trường đê biển Cồn Tròn - Hải Hậu.

5. Thí nghiệm rút viên đá hộc tại hiện trường nhằm mục đích gì?
Thí nghiệm rút viên đá khỏi khối đổ hiện trường được thực hiện bằng cách đo lực kéo cần thiết để bóc tách viên đá ra khỏi khối gia cố, nhằm kiểm tra trực tiếp lực dính bám giữa hỗn hợp asphalt và bề mặt đá hộc, cũng như đánh giá độ liên kết toàn khối và độ thâm nhập thực tế của vữa asphalt trong kết cấu kè.

Kết luận

Luận án của nghiên cứu sinh Nguyễn Mạnh Trường đã giải quyết hai vấn đề kỹ thuật quan trọng trong việc ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc bảo vệ mái đê biển tại Việt Nam. Tác giả đã xây dựng thành công phương pháp luận và các công thức thực nghiệm xác định chiều sâu thâm nhập theo kích thước đá hộc và độ nhớt, đồng thời thiết lập mối tương quan giữa mô đun đàn hồi trong phòng và ngoài hiện trường. Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng qua tính toán thiết kế và thi công thử nghiệm thực tế tại đê biển Hải Hậu (Nam Định), cung cấp cơ sở khoa học và công cụ thực hành phục vụ công tác thiết kế, thi công và quản lý đê biển thích ứng với điều kiện tự nhiên Việt Nam.