Tổng quan luận án

Hệ thống đê biển Việt Nam trải dài hơn 3.260 km từ Bắc vào Nam, đóng vai trò bảo vệ an toàn dân sinh, hạ tầng kinh tế và an ninh quốc phòng trước các tác động của biến đổi khí hậu, nước biển dâng và sóng bão. Kết cấu đê biển có đặc thù chiều dài lớn hơn nhiều so với chiều cao, đi qua nhiều vùng địa chất phức tạp và chịu tác động trực tiếp của điều kiện thủy hải văn khắc nghiệt. Các hình thức kè bảo vệ mái đê truyền thống ở Việt Nam như trồng cỏ, đá hộc thả rối, đá lát khan, đá xây, thảm rọ đá hay tấm bê tông đúc sẵn bộc lộ nhiều điểm hạn chế: dễ bị xói sạt khi có sóng tràn, bê tông nhanh chóng bị nước biển ăn mòn làm giảm tuổi thọ công trình và chi phí duy tu, thay thế định kỳ rất tốn kém.

Nhằm tìm kiếm giải pháp gia cố bền vững, vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc (Fully Grouted Stone Asphalt - FGSA) đã được nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi tại các quốc gia như Hà Lan từ thập niên 1960 với khả năng chịu biến dạng đàn hồi dẻo, thích nghi với sự lún sụt không đều của thân đê và nền đê. Tại Việt Nam, đề tài khoa học công nghệ cấp nhà nước mã số ĐTĐL.2012-T/06 bước đầu nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu này. Tuy nhiên, quá trình tính toán thiết kế và thi công vẫn tồn tại hai khoảng trống nghiên cứu chính:

  1. Chưa có công thức giải tích xác định chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc. Việc lựa chọn độ nhớt để thiết kế cấp phối chủ yếu dựa vào kinh nghiệm và quy trình thí nghiệm thử dần trên mô hình vật lý, gây tốn kém thời gian và chi phí.
  2. Chiều dày lớp gia cố mái đê ($h$) theo phương pháp giải tích phụ thuộc vào mô đun độ cứng hay mô đun đàn hồi ($S = E$). Các nghiên cứu trong nước trước đây chỉ tra biểu đồ toán đồ với sai số lớn, chưa xây dựng được tương quan thực nghiệm giữa mô đun đàn hồi xác định trong phòng thí nghiệm và mô đun đàn hồi ngoài hiện trường để phục vụ tính toán chính xác theo điều kiện làm việc thực tế.

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm ba nội dung:

  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 kiểm tra, tính toán trên mô hình áp dụng thực tế.

Đối tượng nghiên cứu là kè đá hộc bảo vệ mái đê phía biển, dạng mái nghiêng hệ số dốc $m = 3 \div 4$ tại các tỉnh phía Bắc. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở quá trình thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc và các chỉ tiêu cơ lý, cơ học của vật liệu và kết cấu (độ nhớt, chiều sâu thâm nhập, mô đun đàn hồi trong phòng và hiện trường).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Ứng dụng vật liệu asphalt trong công trình thủy lợi và bảo vệ bờ biển đã được ghi nhận qua nhiều công trình nghiên cứu quốc tế:

  • Baron van Asbeck (Shell International, 1955, 1964) công bố các tài liệu tổng quan đầu tiên về kỹ thuật sử dụng nhựa đường trong công trình thủy lợi, từ thí nghiệm vật liệu đến ứng dụng thực tế.
  • Nhóm nghiên cứu gesloten dijkbekledingen (1961) tại Hà Lan công bố báo cáo voorlopig rapport về thành phần cấp phối, độ bền và tính kín nước của hỗn hợp asphalt.
  • Ban cố vấn kỹ thuật công trình thủy lợi Hà Lan ban hành các hướng dẫn kỹ thuật vào năm 1984 và báo cáo kỹ thuật về nhựa đường cho công trình ngăn nước năm 2002.
  • Tập đoàn Shell xuất bản Cẩm nang kỹ thuật Thủy lợi (1999) cập nhật các tiêu chuẩn vật liệu bitum.
  • Các quy chuẩn kỹ thuật quốc tế gồm Tiêu chuẩn Anh BS 3690 (1989, Phần 1) và Tiêu chuẩn Đức DGGT EAAYf 83 (1983, ấn bản 4 năm 1996).
  • Thí nghiệm hiện trường tại Kruiningen dọc Westerschelde (Hà Lan) [33] chứng minh lớp bảo vệ bằng đá bazan chèn vữa asphalt chịu được áp lực đẩy nổi; mức đẩy nổi tối đa khoảng 16 mm mà không phá hỏng kết cấu do nước thoát dọc theo lớp lọc xuống chân khay.
  • Mô hình số phần tử hữu hạn DIANA do Frissen và cộng sự (1997, 2002) [33] thực hiện đã mô phỏng ứng xử kéo và biến dạng phi tuyến của kè dưới áp lực đẩy nổi.
  • Smith và cộng sự (2000) [33] thử nghiệm mô hình sóng máng lớn Deltaflume tại Delft Hydraulics, ghi nhận kết cấu ổn định trước tác động sóng từ $H_s = 0,76\text{ m}$ ($T_p = 3,4\text{ s}$) đến $H_s = 1,56\text{ m}$ ($T_p = 5,3\text{ s}$).
  • Các công trình đê biển tiêu biểu sử dụng asphalt: đê chắn sóng Hook, đê Harlingen, đê biển Tây Nam Hà Lan (sử dụng đá bazan khối lượng thể tích khoảng $3.000\text{ kg/m}^3$, độ rỗng $10% \div 15%$).
Khu vực sử dụng asphalt Sản lượng theo EAPA năm 2007 (triệu tấn)
Bắc Mỹ 550
Châu Á 495
Châu Âu (bao gồm Liên bang Nga) 435
Nam Mỹ 45
Trung Mỹ 35
Châu Phi 30
Australia 10
Tổng cộng toàn cầu 1.600

Mối quan hệ tham khảo giữa chiều cao sóng tác dụng và chiều dày lớp vật liệu bảo vệ theo tài liệu [31]:

Chiều cao sóng $H_s$ (m) Chiều dày bê tông asphalt (m) Chiều dày đá xếp chèn asphalt (m) Chiều dày 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 [10] đã nghiên cứu 3 dạng kết cấu: bê tông asphalt, hỗn hợp asphalt nhiều đá và hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc. Tuy nhiên, đề tài chưa xây dựng được công thức toán học xác định chiều sâu thâm nhập và độ nhớt yêu cầu, đồng thời chỉ áp dụng phương pháp tra đồ thị Van de Poel hoặc toán đồ Shell (1977) để xác định độ cứng, dẫn đến sai số lớn khi thiết kế chiều dày lớp gia cố.

Luận án định vị trọng tâm vào việc giải quyết hai khoảng trống: thiết lập hàm thực nghiệm xác định chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc và xây dựng tương quan chuyển đổi giữa mô đun đàn hồi trong phòng với mô đun đàn hồi hiện trường của kết cấu gia cố mái đê biển.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc (FGSA) là hệ vật liệu đa pha gồm cốt liệu nhỏ (cát), bột khoáng (bột đá vôi hoặc đá đôlômit có cường độ nén đá gốc lớn hơn 20 MPa, hàm lượng sét dưới 5%), chất kết dính bitum đặc (gốc dầu mỏ theo TCVN 7493-2005, mác 60/70) và phụ gia nếu có. Hàm lượng bitum trong hỗn hợp chiếm tỷ lệ cao ($14% \div 20%$ tổng khối lượng), cho phép hỗn hợp đạt trạng thái chảy lỏng ở nhiệt độ $120^\circ\text{C} \div 170^\circ\text{C}$ để tự thâm nhập lấp đầy khe rỗng đá hộc mà không cần lu lèn.

Ứng xử cơ học của bitum và hỗn hợp asphalt là nhớt - đàn hồi dẻo, phụ thuộc chặt chẽ vào nhiệt độ và thời gian tác dụng của tải trọng. Khi chịu tải trọng sóng tác động tức thời trong khoảng thời gian rất ngắn và ở dải nhiệt độ làm việc thông thường, vật liệu thể hiện tính chất đàn hồi thuần túy, khi đó mô đun độ cứng tương đương mô đun đàn hồi ($S = E$). Chiều dày lớp gia cố bảo vệ mái đê biển ($h$) được xác định theo công thức giải tích [31]:

$$h = 0,75 \cdot \left[ \frac{5}{16} \cdot \frac{27}{(1-\nu^2)} \cdot \frac{1}{\sigma_b} \cdot \frac{P^2}{c} \cdot S \right]^{1/3}$$

Trong đó:

  • $h$: Chiều dày lớp gia cố mái đê (m);
  • $\sigma_b$: Ứng suất phá hoại của vật liệu hỗn hợp asphalt ($\text{N/m}^2$);
  • $P$: Áp lực sóng tính toán tác dụng lên mái dốc ($\text{N/m}$);
  • $S$: Mô đun độ cứng (mô đun đàn hồi $E$) của vật liệu hỗn hợp asphalt ($\text{N/m}^2$);
  • $\nu$: Hệ số Poisson của vật liệu;
  • $c$: Mô đun phản lực của nền ($\text{N/m}^3$);
  • $0,75$: Hệ số chiết giảm điều kiện làm việc.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa lý thuyết, quy hoạch thực nghiệm và thử nghiệm thực tế:

  1. Phương pháp quy hoạch thực nghiệm: Áp dụng mô hình ma trận trực giao bậc hai (với 5 thí nghiệm ở tâm) để khảo sát ảnh hưởng đồng thời của độ nhớt hỗn hợp asphalt ($\eta_m$) và kích thước đá hộc ($D$) đến chiều sâu thâm nhập ($\ell$). Số liệu được xử lý bằng phân tích phương sai ANOVA để thiết lập phương trình hồi quy.
  2. Phương pháp thực nghiệm trong phòng:
    • Thí nghiệm đo độ nhớt hỗn hợp bằng thiết bị Kerkhoven theo công thức: $$\eta_m = 43,5 \cdot \frac{\rho \cdot g \cdot t}{1.000}$$ trong đó $\rho$ là khối lượng riêng hỗn hợp ($\text{kg/m}^3$), $g$ là gia tốc trọng trường ($\text{m/s}^2$), $t$ là thời gian 1 lít hỗn hợp chảy qua phễu đo (s).
    • Thí nghiệm đúc mẫu hình trụ và thí nghiệm nén xác định mô đun đàn hồi trong phòng ($E_{tp}$) ở các dải nhiệt độ khác nhau.
  3. Phương pháp thực nghiệm ngoài hiện trường:
    • Đo mô đun đàn hồi hiện trường ($E_{ht}$) bằng phương pháp tấm ép cứng kết hợp kích thủy lực, đồng hồ đo biến dạng và hệ chất tải bằng máy đào tại đê biển Hải Hậu (Nam Định).
    • Thí nghiệm kiểm tra lực nhổ rút viên đá hộc khỏi khối đổ để đánh giá mức độ liên kết dính bám của lớp gia cố.
  4. Phương pháp chuyên gia: Tham vấn các nhà khoa học chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình thủy thông qua hội thảo và hội đồng phản biện.
Loại vật liệu theo quy trình ngành [1] Mô đun đàn hồi $E$ (MPa) ở 10 - 15°C Mô đun đàn hồi $E$ (MPa) ở 30°C Mô đun đàn hồi $E$ (MPa) ở 60°C
Bê tông nhựa chặt (đá dăm 50%) 1.800 - 2.200 420 300
Bê tông nhựa chặt (đá dăm 35%) 1.600 - 2.000 350 250
Bê tông nhựa chặt (đá dăm 20%) 1.200 - 1.600 280 200
Bê tông nhựa rỗng 1.200 - 1.600 320 250
Bê tông nhựa cát — 225 190
Đá dăm đen nhựa đặc chêm chèn 800 - 1.000 350 —
Thấm nhập nhựa 400 - 600 280 - 320 —
Đá, sỏi trộn nhựa lỏng 400 - 500 220 - 250 —

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 phân tích hiện trạng hệ thống đê biển Việt Nam với 8 dạng mặt cắt điển hình theo phân cấp công trình (từ cấp I đến cấp V). Tác giả tổng hợp các dạng kết cấu gia cố mái đê phổ biến gồm trồng cỏ, đá thả rối, đá lát khan, đá xây, rọ đá, tấm bê tông lắp ghép và chỉ ra các nguyên nhân gây hư hỏng khi chịu sóng bão.

Về vật liệu FGSA, chương này phân tích cơ chế làm việc của từng thành phần: cát tạo bộ khung chịu lực, bột đá tăng diện tích tiếp xúc và ổn định màng bitum, bitum đóng vai trò dính kết và tạo tính nhớt dẻo. Tác giả tổng quan các kết quả nghiên cứu trên thế giới từ năm 1955 đến 2002, thống kê sản lượng sử dụng 1.600 triệu tấn của EAPA, và phân tích các số liệu đo độ nhớt từ đề tài ĐTĐL.2012-T/06 trên 24 cấp phối ở 3 mức nhiệt độ ($120^\circ\text{C}$, $140^\circ\text{C}$, $160^\circ\text{C}$).

Cấp phối thí nghiệm [10] Bitum (%) Bột đá (%) Cát (%) Đá dăm (%) Độ nhớt ở 120°C (Pa.s) Độ nhớt ở 140°C (Pa.s) Độ nhớt ở 160°C (Pa.s)
CP 1.6 15 21 50 14 42,6 17,2 14,5
CP 2.6 14 18 52 16 57,0 41,4 29,4
CP 4.5 12 16 54 18 39,0 16,3 14,5

Kết quả chỉ ra quy luật: nhiệt độ tăng làm độ nhớt giảm rõ rệt; tăng hàm lượng bitum làm giảm độ nhớt; tăng hàm lượng bột khoáng ban đầu giúp hỗn hợp linh động hơn nhưng nếu vượt quá tỷ lệ tối ưu sẽ làm tăng độ nhớt trở lại. Các tồn tại chính được làm rõ: thiếu công thức tính chiều sâu thâm nhập và thiếu phương pháp xác định mô đun đàn hồi giải tích cho kết cấu FGSA tại Việt Nam.

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

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về động học thâm nhập của chất lỏng nhớt vào môi trường rỗng và cơ học vật liệu đàn hồi dẻo. Tác giả phân tích các yếu tố ảnh hưởng trực tiếp đến chiều sâu thâm nhập ($\ell$), bao gồm: độ nhớt hỗn hợp asphalt ($\eta_m$), kích thước hình học của đá hộc ($D$), độ nhám bề mặt đá, nhiệt độ thi công và độ dốc mái đê ($m = 3 \div 4$).

Chương này xây dựng phương pháp luận quy hoạch thực nghiệm theo mô hình đa thức bậc hai với hai biến số độc lập là độ nhớt hỗn hợp ($\eta_m$) và kích thước đá hộc ($D$). Đối với mô đun đàn hồi, tác giả phân tích các phương pháp thí nghiệm hiện hành (thí nghiệm nén một trục, nén ba trục, cần đo võng Benkelman, tấm ép cứng) và lựa chọn phương pháp nén mẫu trong phòng kết hợp đo tấm ép cứng ngoài hiện trường. Phương pháp quy đổi tương quan thực nghiệm được thiết lập nhằm xây dựng hàm liên hệ trực tiếp giữa giá trị đo trong phòng và giá trị đo thực tế 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 triển khai toàn bộ quá trình thực nghiệm và xử lý số liệu:

  1. Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt: Tiến hành thí nghiệm theo ma trận kế hoạch hóa thực nghiệm với các biến đầu vào gồm kích thước đá hộc ($D = 15 \div 30\text{ cm}$) và độ nhớt hỗn hợp ($\eta_m = 30 \div 80\text{ Pa.s}$). Kết quả phân tích phương sai ANOVA khẳng định mô hình đạt độ tương thích cao. Tác giả thiết lập phương trình hồi quy thực nghiệm biểu diễn quan hệ chiều sâu thâm nhập $\ell = f(D, \eta_m)$ (công thức 3.x), đồng thời xây dựng bảng tra giá trị chiều sâu thâm nhập tương ứng với từng cấp phối và kích cỡ đá.

  2. Mô đun đàn hồi của kết cấu FGSA:

    • Trong phòng thí nghiệm: Đúc các tổ mẫu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc và tiến hành nén xác định mô đun đàn hồi $E_{tp}$ tại các dải nhiệt độ từ $10^\circ\text{C}$ đến $60^\circ\text{C}$. Kết quả cho thấy $E_{tp}$ giảm mạnh khi nhiệt độ tăng.
    • Ngoài hiện trường: Bố trí các điểm đo trên tuyến đê thử nghiệm, sử dụng tấm ép cứng đường kính tiêu chuẩn, gia tải bằng kích thủy lực tựa vào đối trọng máy đào và ghi nhận biến dạng đàn hồi qua hệ thống đồng hồ so để xác định $E_{ht}$.
    • Tác giả phân tích hồi quy tương quan giữa mô đun đàn hồi hiện trường và mô đun đàn hồi trong phòng, thiết lập công thức thực nghiệm chuyển đổi $E_{ht} = f(E_{tp}, T)$ (công thức 3.y).

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

Chương 4 ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào đoạn đê biển Cồn Tròn thuộc huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định – khu vực chịu tác động sóng biển và xói lở nghiêm trọng:

  1. Tính toán thiết kế chiều dày lớp gia cố: Áp dụng công thức giải tích với giá trị mô đun đàn hồi $E_{ht}$ xác định từ công thức thực nghiệm của Chương 3 để tính toán chiều dày lớp gia cố $h$. Kết quả tính toán giải tích được so sánh và đánh giá độ tin cậy với phương pháp tra đồ thị truyền thống.
  2. Kiểm toán ổn định kết cấu: Thực hiện kiểm tra an toàn lớp gia cố dưới các điều kiện biên: tác động của áp lực sóng lớn nhất, áp lực sóng dội lên mái nghiêng và áp lực đẩy nổi thủy động dưới đáy lớp gia cố theo sơ đồ thoát nước qua tầng lọc.
  3. Thử nghiệm hiện trường và đối chứng: Tiến hành thi công thử nghiệm một đoạn đê bằng vật liệu FGSA. Đo đạc chiều sâu thâm nhập thực tế và tiến hành thí nghiệm nhổ rút viên đá hộc khỏi khối kết cấu để đánh giá cường độ bám dính. Kết quả đo độ nhớt và chiều sâu thâm nhập tại hiện trường khớp với kết quả tính toán từ phương trình thực nghiệm của luận án, chứng minh tính phù hợp so với các kết quả ban đầu của đề tài ĐTĐL.2012-T/06.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án mang lại các đóng góp cụ thể về mặt khoa học và thực tiễn kỹ thuật công trình thủy:

  1. Đóng góp mới thứ nhất: Luận án đã xây dựng phương pháp luận và thiết lập công thức thực nghiệm xác định chiều sâu thâm nhập ($\ell$) của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc theo kích thước đá hộc ($D$) và độ nhớt hỗn hợp ($\eta_m$). Kết quả này giúp loại bỏ quy trình thí nghiệm thử dần tốn kém, cho phép xác định nhanh độ nhớt yêu cầu để thiết kế cấp phối phù hợp với từng loại kích thước đá hộc trên mái dốc $m = 3 \div 4$.
  2. Đóng góp mới thứ hai: Luận án đã xây dựng phương pháp luận và thiết lập công thức thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi hiện trường ($E_{ht}$) của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc thông qua mô đun đàn hồi đo trong phòng thí nghiệm ($E_{tp}$) và nhiệt độ. Công thức này cung cấp thông số đầu vào chính xác để tính toán chiều dày lớp gia cố ($h$) theo phương pháp giải tích thay thế cho phương pháp tra biểu đồ có sai số lớn.

Về mặt ứng dụng và kiến nghị:

  • Cho phép tối ưu hóa thành phần cấp phối, hàm lượng bitum và kiểm soát nhiệt độ thi công ngoài hiện trường ($130^\circ\text{C} \div 170^\circ\text{C}$) nhằm đạt độ nhớt yêu cầu ($30 \div 80\text{ Pa.s}$).
  • Đề xuất quy trình kiểm toán an toàn chiều dày lớp gia cố chịu tác động tổng hợp của áp lực sóng và áp lực đẩy nổi, ứng dụng hiệu quả cho các dự án củng cố đê biển khu vực miền Bắc.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Các hạn chế được rút ra từ phạm vi và điều kiện nghiên cứu của luận án:

  • Đối tượng nghiên cứu giới hạn ở kè đá hộc bảo vệ mái nghiêng đê phía biển có hệ số mái dốc $m = 3 \div 4$ tại dải ven biển các tỉnh phía Bắc; chưa khảo sát chi tiết cho các dạng đê mái dốc đứng hoặc mái hỗn hợp.
  • Độ nhám bề mặt đá hộc được giả định là hằng số đối với loại đá thí nghiệm chuẩn; chưa xét đến biến thiên độ nhám của nhiều chủng loại đá khai thác tại các mỏ khác nhau.
  • Tác động hóa già dài hạn của bitum và độ suy giảm mô đun đàn hồi dưới tác động tổng hợp của bức xạ nhiệt đới và môi trường nước mặn cần tiếp tục được theo dõi quan trắc qua nhiều năm khai thác thực tế.

Hướng nghiên cứu tiếp theo bao gồm việc mở rộng công thức thực nghiệm cho các góc nghiêng mái dốc khác ($m < 3$), nghiên cứu bổ sung các chất phụ gia cải thiện độ bền nhiệt và tính kháng lão hóa của bitum trong môi trường biển, đồng thời thử nghiệm mở rộng cho các tuyến đê biển khu vực Trung Bộ và Nam Bộ.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn phục vụ các nhóm đối tượng và mục đích cụ thể:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên chuyên ngành Kỹ thuật xây dựng công trình thủy, Công trình biển, Kỹ thuật tài nguyên nước: Tham khảo phương pháp luận kế hoạch hóa thực nghiệm đa yếu tố (ANOVA), cơ sở lưu biến học của bitum và phương pháp mô hình hóa ứng xử đàn hồi dẻo của vật liệu hỗn hợp trong công trình thủy lợi.
  • Kỹ sư tư vấn thiết kế công trình thủy: Sử dụng công thức thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi để tính toán chiều dày lớp gia cố bảo vệ mái đê biển theo phương pháp giải tích chính xác, thay cho các toán đồ tra cứu ngoại văn; tra cứu nhanh độ nhớt yêu cầu theo kích thước đá hộc để lập hồ sơ thiết kế cấp phối.
  • Cán bộ kỹ thuật và đơn vị thi công đê kè biển: Áp dụng quy trình kiểm soát nhiệt độ thi công, kiểm tra độ nhớt hỗn hợp bằng phễu Kerkhoven và phương pháp thí nghiệm hiện trường bằng tấm ép cứng kết hợp đối trọng cơ giới để nghiệm thu chất lượng lớp kết cấu FGSA.
  • Cơ quan quản lý nhà nước về đê điều và phòng chống thiên tai: Làm căn cứ kỹ thuật để hoàn thiện các tiêu chuẩn, quy chuẩn xây dựng đê biển ứng phó với biến đổi khí hậu và nước biển dâng tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

1. Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc (FGSA) có cấu tạo và cơ chế làm việc như thế nào trong kết cấu bảo vệ mái đê biển?

FGSA là hệ vật liệu kết hợp giữa khung đá hộc lát mái và vữa asphalt có hàm lượng bitum cao ($14% \div 20%$), phối trộn cùng cát, bột đá vôi/đôlômit và phụ gia. Ở nhiệt độ $120^\circ\text{C} \div 170^\circ\text{C}$, vữa ở trạng thái nhớt lỏng tự thâm nhập lấp đầy các khe rỗng giữa các viên đá hộc mà không cần lu lèn. Khi nguội, hỗn hợp tạo thành lớp gia cố nguyên khối có tính đàn hồi dẻo, chịu được tác động xung kích của sóng bão và tự thích ứng mềm dẻo với các biến dạng lún sụt không đều của thân đê mà không bị nứt vỡ cục bộ.

2. Những yếu tố nào ảnh hưởng chủ yếu đến độ nhớt của hỗn hợp asphalt và chiều sâu thâm nhập vào đá hộc?

Độ nhớt hỗn hợp asphalt ($\eta_m$) chịu ảnh hưởng lớn nhất từ nhiệt độ (nhiệt độ càng cao thì độ nhớt càng giảm), hàm lượng bitum (tỷ lệ bitum tăng làm độ nhớt giảm), tỷ lệ bột khoáng (tăng bột khoáng ban đầu giúp hỗn hợp linh động, giảm độ nhớt nhưng vượt quá ngưỡng sẽ làm độ nhớt tăng) và thành phần hạt cốt liệu cát. Chiều sâu thâm nhập ($\ell$) tỷ lệ nghịch với độ nhớt hỗn hợp asphalt và tỷ lệ thuận với kích thước khe rỗng đá hộc ($D$).

3. Thí nghiệm thực địa tại Kruiningen (Hà Lan) mang lại kết luận gì về khả năng chịu áp lực đẩy nổi của mái kè chèn asphalt?

Thí nghiệm chỉ ra rằng khi áp lực đẩy nổi tĩnh vượt quá trọng lượng bản thân của lớp bảo vệ mái kè, kết cấu chỉ bị đẩy nổi cục bộ khoảng $1 \div 2\text{ cm}$ (mức tối đa ghi nhận 16 mm) chứ không bị phá hỏng hoàn toàn. Một màng nước mỏng hình thành giữa lớp phủ và tầng lọc, dẫn dòng nước thoát dọc theo mái xuống chân khay, giúp tiêu tán và giảm áp lực đẩy nổi tác dụng lên kết cấu.

4. Tại sao cần thiết lập công thức chuyển đổi mô đun đàn hồi từ phòng thí nghiệm ($E_{tp}$) sang hiện trường ($E_{ht}$)?

Mô hình thí nghiệm trong phòng cho phép kiểm soát chặt chẽ nhiệt độ và điều kiện nén của mẫu quy chuẩn với chi phí thấp, nhưng không phản ánh hết điều kiện biên, sự tiếp xúc thực tế của khung đá hộc và nền đê tại hiện trường. Việc đo mô đun đàn hồi trực tiếp ngoài hiện trường bằng tấm ép cứng và kích thủy lực rất tốn kém và phức tạp. Thiết lập công thức tương quan thực nghiệm $E_{ht} = f(E_{tp}, T)$ giúp kỹ sư xác định chính xác mô đun đàn hồi hiện trường phục vụ tính toán giải tích chiều dày kết cấu mà chỉ cần thực hiện các thí nghiệm nén mẫu trong phòng.

5. Kết quả nghiên cứu của luận án được ứng dụng cụ thể tại công trình nào?

Kết quả nghiên cứu được ứng dụng tính toán thiết kế chiều dày lớp gia cố bảo vệ mái và kiểm chứng thực nghiệm thi công tại tuyến đê biển Cồn Tròn, huyện Hải Hậu, tỉnh Nam Định. Các số liệu đo chiều sâu thâm nhập, độ nhớt và lực dính bám của đá hộc tại hiện trường đã kiểm chứng sự phù hợp của các công thức thực nghiệm do luận án đề xuất.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Mạnh Trường đã giải quyết hai vấn đề kỹ thuật trọng tâm trong thiết kế và thi công kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc tại Việt Nam. Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm và thử nghiệm đối chứng đa cấp độ (trong phòng và ngoài hiện trường), công trình đã thiết lập thành công công thức thực nghiệm xác định chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt theo kích thước đá hộc và độ nhớt, cùng công thức xác định mô đun đàn hồi hiện trường từ giá trị thí nghiệm trong phòng. Các kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng và kiểm chứng thực tế tại tuyến đê biển Hải Hậu (Nam Định), cung cấp cơ sở khoa học và công cụ tính toán giải tích tin cậy phục vụ công tác thiết kế, thi công đê biển thích ứng với biến đổi khí hậu.