Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật với đề tài "Nghiên cứu ổn định và độ bền của khối phủ RAKUNA-IV xếp rối trên đê chắn sóng đá đổ" được thực hiện bởi nghiên cứu sinh Nguyễn Quang Lương dưới sự hướng dẫn khoa học của GS. Thiều Quang Tuấn, tại Trường Đại học Thủy lợi thuộc Bộ Giáo dục và Đào tạo và Bộ Nông nghiệp và Phát triển nông thôn. Luận án thuộc chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình Biển, mã số đào tạo 9580203, hoàn thành năm 2020 tại Hà Nội.

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Hệ thống đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng đóng vai trò bảo vệ các vùng nước bể cảng, tuyến luồng, khu vực neo đậu tàu thuyền và bảo vệ bờ biển khỏi tác động của sóng và dòng chảy. Tại Việt Nam, đa số các công trình đê chắn sóng trước đây sử dụng các dạng khối phủ bê tông truyền thống như Tetrapod hoặc Accropode. Khối phủ Tetrapod có ưu điểm là dễ chế tạo, tận dụng được vật liệu địa phương nhưng tính năng ổn định chưa cao, dẫn đến hiệu quả kinh tế còn hạn chế. Khối phủ RAKUNA-IV là cấu kiện thế hệ mới do công ty Nikken Kogaku (Nhật Bản) phát minh năm 2007 (mã bản quyền HRK-080001-VE, số hiệu 1343), có cấu tạo tứ diện đều với 4 chân góc cạnh và 4 hốc lõm đặc trưng, tạo độ rỗng cao (56,5%) và tăng cường khả năng gài cắm liên kết, tiêu tán năng lượng sóng.

Trước đây, tiêu chuẩn thiết kế đê chắn sóng mái nghiêng chủ yếu tập trung vào tiêu chí ổn định thủy lực (khả năng khối phủ không bị dịch chuyển hay bốc khỏi mái đê dưới tác động của sóng). Tuy nhiên, các bài học thực tế từ sự cố phá hoại đê chắn sóng trên thế giới (như đê Sines ở Bồ Đào Nha, Arzew ở Algeria, Tripoli ở Libya) cho thấy các khối phủ bê tông không cốt thép dạng thanh mảnh còn chịu nguy cơ nứt vỡ kết cấu nghiêm trọng. Khi khối phủ bị xoay lắc (cơ chế rocking), va chạm vào nhau hoặc va chạm với các mảnh vỡ dưới tác động của sóng, ứng suất phát sinh vượt quá cường độ chịu kéo của bê tông sẽ gây gãy vỡ, từ đó kéo theo sự sụp đổ dây chuyền của toàn bộ lớp phủ bảo vệ.

Các nghiên cứu trước đây về khối phủ RAKUNA-IV (như tại Viện DPRI - Đại học Kyoto, nghiên cứu của Thiều Quang Tuấn và cộng sự năm 2012, nghiên cứu của Giang năm 2015) chủ yếu khảo sát ổn định thủy lực trong điều kiện xếp đều 2 lớp hoặc trong điều kiện có sóng tràn. Trong thực tế thi công tại các khu vực nước sâu và đoạn đầu đê, khối phủ hầu hết được thi công theo phương pháp xếp rối 2 lớp và làm việc trong điều kiện bất lợi nhất là sóng không tràn (đỉnh đê cao) và sóng chưa vỡ (năng lượng sóng tác động trực tiếp). Luận án được thực hiện nhằm lấp đầy khoảng trống nghiên cứu về ổn định thủy lực và độ bền kết cấu của khối phủ RAKUNA-IV xếp rối 2 lớp dưới tác động của sóng không tràn và không vỡ.

Mục tiêu nghiên cứu

  1. Nghiên cứu ổn định thủy lực và độ bền kết cấu của khối phủ RAKUNA-IV khi xếp rối trên đê chắn sóng đá đổ thông qua tổ hợp thí nghiệm mô hình vật lý trong máng sóng và mô phỏng số bằng mô hình toán phần tử hữu hạn.
  2. Ứng dụng các kết quả nghiên cứu vào tính toán thiết kế cho công trình thực tế (đê chắn sóng cảng Chân Mây, tỉnh Thừa Thiên Huế), từ đó đề xuất các kiến nghị và giải pháp kỹ thuật cho công tác thiết kế, chế tạo và thi công khối phủ RAKUNA-IV.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Khối phủ RAKUNA-IV xếp rối hoàn toàn trên đê chắn sóng đá đổ trong điều kiện sóng không tràn và sóng không vỡ.
  • Phạm vi nghiên cứu: Ổn định thủy lực và độ bền kết cấu của khối phủ RAKUNA-IV được xếp rối 2 lớp trên mái phía biển của đê chắn sóng đá đổ trong điều kiện sóng không tràn và sóng không vỡ.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Lịch sử phát triển khối phủ và các sự cố nứt vỡ kết cấu

Lịch sử khối phủ bảo vệ đê chắn sóng ghi nhận bước chuyển từ các khối trọng lực đơn giản (đá mỏ, khối lập phương Cube) sang các khối dị hình có tính năng gài cắm và tiêu sóng:

  • Năm 1949, P. Danel tại phòng thí nghiệm Dauphinois (SOGREAH, Pháp) phát minh khối Tetrapod.
  • Sau đó, khối Akmon được phát triển tại Hà Lan; Merrifield và Zwamborn (Nam Phi) phát triển khối Dolos với độ rỗng lớn và chân mảnh hơn nhằm gia tăng hệ số ổn định thủy lực.
  • Tuy nhiên, sự cố gãy vỡ hàng loạt khối Dolos tại đê chắn sóng Sines (Bồ Đào Nha, 1978), Arzew El-Djedid (Algeria, 1980), Tripoli (Libya, 1982), San Ciprian (Tây Ban Nha, 1980) và vỡ khối Tetrapod tại El Kala (Algeria, 1979), Gioia Tauro (Ý, 1979) đã chứng minh rằng các khối bê tông thanh mảnh rất dễ bị phá hủy do ứng suất kéo khi chịu va đập do xoay lắc, dẫn đến mất ổn định tổng thể công trình.

Các nghiên cứu về ổn định thủy lực

  • Công thức giải tích và bán thực nghiệm kinh điển: Iribarren và Nogales (1938, 1954), Hudson (1958, 1959) với tham số $K_D$, Svee (1962).
  • Mô hình Van der Meer (1988, 1991): Xây dựng công thức tính toán chỉ số ổn định $N_s$ cho khối Tetrapod xếp 2 lớp trên mái dốc $1:1{,}5$ dựa trên số con sóng $N_z$, mức độ hư hỏng $N_{od}$ và độ dốc sóng $s_{0m}$: $$N_s = \frac{H_s}{\Delta D_n} = \left(3{,}75 \frac{N_{od}^{0{,}5}}{N_z^{0{,}25}} + 0{,}85\right) s_{0m}^{-0{,}2}$$ Khi xét thêm cơ chế xoay lắc (rocking), Van der Meer đưa ra biến số $N_{o,mov} = N_{od} + N_{o>0{,}5}$.
  • Nghiên cứu về RAKUNA-IV:
    • Mase và cộng sự (2011) nghiên cứu ổn định RAKUNA-IV cho đê chắn sóng hỗn hợp ngang trong điều kiện sóng vỡ và không vỡ.
    • Suh, Lee, Matsushita, Nam (2010) thiết lập công thức ổn định cho RAKUNA-IV phụ thuộc vào độ dốc mái và tham số sóng.
    • Thiều Quang Tuấn và cộng sự (2012) nghiên cứu khối RAKUNA-IV xếp đều 2 lớp trên mái dốc $1:1{,}5$ trong điều kiện sóng không tràn, xác định hệ số $K_D = 10{,}8$ và công thức: $$N_s = \left(3{,}73 \frac{N_{od}^{0{,}5}}{N_z^{0{,}25}} + 1{,}39\right) s_{0m}^{-0{,}2}$$
    • Giang (2015) nghiên cứu ổn định và tính năng chiết giảm sóng tràn của RAKUNA-IV trên đê đá đổ mái nghiêng, xác định hệ số chiết giảm $\gamma_r = 0{,}41$ (khi $\xi_{m-1,0} = 2{,}0 - 4{,}0$) và $\gamma_r = 0{,}51$ (khi $\xi_{m-1,0} > 4{,}0$).

Các nghiên cứu về độ bền kết cấu khối phủ

Burcharth (1981, 1983, 1988, 1991, 1993, 1995), Howell (1988), Liu (1991), McDougal (1991) đã tiến hành gắn cảm biến tải trọng (load-cell) và ten-xơ điện trở vào bên trong mô hình khối Dolos (200g, 200kg) và Tetrapod (280g) để đo đạc ứng suất. Các tác giả đã phân loại các tải trọng tác dụng lên khối phủ thành 4 nhóm: tải trọng tĩnh, áp lực mạch động của sóng, áp lực xung kích (do xoay lắc, va đập) và tải trọng nhiệt do đông kết bê tông.

Vị trí và giải pháp của luận án

Luận án kế thừa các nền tảng lý thuyết của Burcharth, Van der Meer và Thiều Quang Tuấn để giải quyết trường hợp khối phủ RAKUNA-IV được xếp rối hoàn toàn 2 lớp trên mái đê đá đổ dưới tác động của sóng không tràn và không vỡ. Luận án kết hợp đồng thời thí nghiệm vật lý máng sóng bằng khối phủ cảm biến i-RAK và mô hình toán phần tử hữu hạn ANSYS Mechanical APDL để xử lý vấn đề sai khác đặc tính đàn hồi biểu kiến khi lắp đặt cảm biến.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và phân tích thứ nguyên

  • Chỉ số ổn định thủy lực ($N_s$): Được xác định từ tỉ số giữa lực thủy động (lực kéo $F_D$, lực nâng $F_L$) và trọng lượng bản thân hiệu dụng $F_G$: $$N_s = \frac{H_s}{\Delta D_n}$$ Trong đó: $H_s$ là chiều cao sóng có nghĩa; $\Delta = (\rho_s/\rho_w) - 1$ là tỉ trọng tương đối của bê tông trong nước; $D_n = V^{1/3}$ là đường kính danh nghĩa của khối phủ.
  • Tiêu chuẩn mức độ hư hỏng ($N_{od}$ và $D$): Mức độ hư hỏng tương đối được xác định thông qua số lượng khối phủ bị dịch chuyển ($N_{od}$) trên một dải chiều rộng $B = D_n$, hoặc tỉ lệ phần trăm số khối dịch chuyển $D = (\text{Số khối dịch chuyển} / \text{Tổng số khối}) \times 100%$.
  • Lý thuyết tương tự: Mô hình thủy lực tuân theo tiêu chuẩn tương tự Froude. Đối với độ bền kết cấu, do việc cấy cảm biến lõi nhôm làm thay đổi tính đồng nhất của vật liệu, luận án áp dụng khái niệm mô đun đàn hồi biểu kiến ($E_a$) và hệ số tỉ lệ mô đun đàn hồi ($n_E = E_b / E_a$) để quy đổi ứng suất đo được trên mô hình về nguyên hình bê tông đồng nhất ($E_b$).

Phương pháp nghiên cứu

  1. Phương pháp mô hình vật lý trong máng sóng:
    • Tiến hành tại Máng sóng Hà Lan (bề rộng $B = 1{,}0\text{ m}$) thuộc Phòng thí nghiệm Thủy lực tổng hợp, Trường Đại học Thủy lợi.
    • Thu nhận và phân tích sóng tới, sóng phản xạ bằng bộ phần mềm và hệ thống cảm biến sóng HR-DAQ của HR Wallingford.
    • Quan sát và ghi nhận hiện tượng dịch chuyển, xoay lắc (rocking) của khối phủ bằng hệ thống máy quay tốc độ cao kết hợp bút chỉ laser và kỹ thuật tách - chồng ảnh.
    • Chế tạo và bố trí mô hình khối phủ có gắn cảm biến i-RAK (Instrumented RAKUNA-IV) do công ty Nikken Kogaku hỗ trợ: sử dụng cảm biến áp lực dạng lõi trụ nhôm (load-cell) tích hợp các lá điện trở (strain gauge) FLA-5 dán bằng keo CN chuyên dụng của hãng Tokyo Sokki Kenkyujo (Nhật Bản).
    • Tín hiệu ứng suất được khuếch đại qua máy đo động SDA-830A, SDA-830C và thu thập bằng phần mềm NI SignalExpress (National Instruments).
  2. Phương pháp mô hình toán phần tử hữu hạn:
    • Sử dụng phần mềm ANSYS Mechanical APDL để lập mô hình 3D khối RAKUNA-IV nguyên khối và khối i-RAK có gắn lõi cảm biến.
    • Phân tích trường ứng suất - biến dạng dưới tác dụng của tải trọng tĩnh và tải trọng va đập.
    • Tính toán tần số dao động riêng của mô hình i-RAK nhằm kiểm tra và loại trừ hiện tượng cộng hưởng động lực trong dải tần số đo.
    • Xác định hệ số chuyển đổi ứng suất giữa cảm biến và bề mặt bê tông nguyên hình kết hợp kiểm định trên dầm tiêu chuẩn tại Phòng thí nghiệm Sức bền vật liệu & Cơ kết cấu.
  3. Phương pháp xử lý số liệu và phân tích hồi quy: Sử dụng phần mềm MATLAB để lọc tín hiệu, phân tích phổ, bóc tách đỉnh ứng suất xung kích $\sigma_{c,xk}$ và thiết lập các phương trình tương quan thực nghiệm.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về khối phủ bê tông bảo vệ cho đê chắn sóng đá đổ

Chương 1 hệ thống hóa các kiến thức cơ bản về kết cấu đê chắn sóng đá đổ mái nghiêng, phân tích các cơ chế phá hoại điển hình của công trình dưới tác động của sóng và dòng chảy:

Dạng phá hoại chính Cơ chế và hệ quả kết cấu
Mất ổn định thủy lực lớp phủ Sóng nhổ, dịch chuyển các khối phủ quanh mực nước tĩnh; xói lở lớp lọc và lõi đê tạo mặt cắt hình chữ S
Nứt vỡ khối phủ bê tông Ứng suất kéo sinh ra do va đập khi xoay lắc vượt quá cường độ chịu kéo $f_T$; mảnh vỡ va đập phá hủy các khối xung quanh
Mất ổn định tường đỉnh Sóng tác động trực tiếp khi mất lớp phủ, phát sinh áp lực đẩy nổi và áp lực ngang gây trượt/lật tường đỉnh
Hư hỏng cơ chân và mái sau Xói chân đê gây sụt trượt toàn bộ mái dốc; sóng tràn gây xói lở mái đê phía trong cảng

Chương này phân loại chi tiết các khối phủ bê tông trên thế giới theo hình dạng (khối lớn, khối phức tạp, khối thanh mảnh, khối có lỗ) và phương pháp xếp đặt (xếp đều, xếp rối 1 lớp hoặc 2 lớp). Tác giả tổng hợp các dự án tiêu biểu sử dụng khối RAKUNA-IV tại Nhật Bản do Cục phát triển khu vực Hokuriku, Chubu, Shikoku và chính quyền các quận Kagoshima, Okinawa, Nagasaki, Fukui, Yamaguchi đầu tư (như cảng Wajima 20T, cảng Fukui 25T, cảng Fuji 64T, bờ biển Tochi 50T, bờ biển Kochi 50T, cảng Sendai 6T, cảng Sarahama 50T/32T, cảng Shikimi 50T, cảng Echizen 64T, bảo vệ sân bay Ube 12T). Tại Việt Nam, khối RAKUNA-IV được ứng dụng tại các dự án cảng Nghi Sơn, cảng Chân Mây, cảng Vân Phong và cảng Vĩnh Tân.

Chương 1 cũng phân tích chi tiết các công thức ổn định thủy lực kinh điển của Iribarren, Hudson, Svee, Van der Meer, Hanzawa, De Jong, Mase, Suh, Thiều Quang Tuấn và Giang, đồng thời tổng quan các nghiên cứu thực nghiệm đo ứng suất của Burcharth và Liu, chỉ ra sự cần thiết phải nghiên cứu đồng thời độ bền kết cấu và ổn định thủy lực cho khối RAKUNA-IV xếp rối 2 lớp.

Chương 2: Cơ sở khoa học nghiên cứu ổn định và độ bền của khối phủ trên mái đê chắn sóng đá đổ

Chương 2 trình bày toàn bộ cơ sở lý luận, phương pháp luận và các bước thiết kế mô hình thực nghiệm và mô hình toán:

  • Thiết lập mô hình vật lý: Mô hình đê chắn sóng đá đổ mái dốc $1:1{,}5$ được bố trí trong Máng sóng Hà Lan. Mô hình gồm lớp lõi đá đổ cấp phối, lớp lọc và lớp phủ bảo vệ bên ngoài gồm 2 lớp khối RAKUNA-IV xếp rối hoàn toàn. Kích thước vật liệu và khối lượng mô hình được tính toán theo tỉ lệ hình học và thủy lực Froude.
  • Phân bố các khối quan trắc ứng suất: Bố trí các khối phủ có gắn cảm biến i-RAK tại 3 khu vực trọng điểm trên mái dốc: ngang mép nước tĩnh, khu vực nằm trên và dưới mực nước tĩnh một khoảng $0{,}5H_s$, và khu vực nằm trên và dưới mực nước tĩnh một khoảng $1{,}0H_s$. Để dễ dàng nhận diện quang học qua camera, các khối phủ ở từng cao trình được sơn phân biệt màu vàng, trắng và đỏ từ đỉnh xuống chân mái.
  • Mô phỏng số bằng ANSYS Mechanical APDL:
    • Xây dựng mô hình hình học 3D của khối RAKUNA-IV nguyên khối và khối i-RAK có gắn lõi cảm biến nhôm.
    • Chia lưới phần tử hữu hạn thể tích (Solid elements), thiết lập điều kiện biên và đặt tải trọng tĩnh cũng như tải trọng tập trung/phân bố mô phỏng va chạm động.
    • Tính toán phổ tần số dao động riêng của khối i-RAK, xác nhận tần số dao động riêng của cảm biến nằm ngoài dải tần kích động của sóng và va đập thí nghiệm ($800 - 1500\text{ Hz}$), đảm bảo không xảy ra hiện tượng cộng hưởng động lực làm sai lệch kết quả đo.
    • Thiết lập quan hệ chuyển đổi ứng suất và xác định mô đun đàn hồi biểu kiến $E_a$.

Chương 3: Kết quả nghiên cứu ổn định và độ bền của khối phủ RAKUNA-IV

Chương 3 trình bày các kết quả thực nghiệm và phân tích dữ liệu chuyên sâu:

1. Kết quả nghiên cứu ổn định thủy lực

  • Quan sát thí nghiệm cho thấy cơ chế chuyển động xoay lắc (rocking) của các khối RAKUNA-IV xếp rối diễn ra chủ yếu ở khu vực lân cận mực nước tĩnh khi sóng tác động.
  • Mức độ hư hỏng của lớp phủ tăng dần theo số lượng con sóng $N_z$ và chiều cao sóng $H_s$.
  • Từ các chuỗi số liệu thí nghiệm với các kịch bản sóng khác nhau, qua phân tích hồi quy phi tuyến, luận án đã xác định hệ số ổn định trong công thức Hudson cho khối phủ RAKUNA-IV xếp rối 2 lớp trên mái dốc $1:1{,}5$ trong điều kiện sóng không tràn, không vỡ là: $$K_D = 9{,}0$$ (tương ứng với mức độ hư hỏng thiết kế $D = 0 - 5%$)
  • Luận án đã xây dựng công thức thực nghiệm xác định chỉ số ổn định $N_s$ dạng Van der Meer cho khối RAKUNA-IV xếp rối 2 lớp: $$N_s = \frac{H_s}{\Delta D_n} = \left(2{,}85 \frac{N_{od}^{0{,}5}}{N_z^{0{,}25}} + 1{,}25\right) s_{0m}^{-0{,}2}$$

2. Kết quả nghiên cứu độ bền kết cấu

  • Bóc tách các xung ứng suất từ tín hiệu đo của máy SDA-830, luận án xác định vị trí phát sinh ứng suất xung kích lớn nhất nằm ở khu vực dao động quanh mực nước thiết kế (trong phạm vi $\pm 0{,}5H_s$).
  • Thiết lập công thức thực nghiệm xác định ứng suất xung kích lớn nhất $\sigma_{c,xk}$ phát sinh trong khối phủ khi bị xoay lắc do sóng: $$\sigma_{c,xk} = C_0 \cdot \left(\frac{H_s}{D_n}\right)^{C_1} \cdot s_{0m}^{C_2} \cdot n_E^{C_3}$$ Trong đó các hệ số $C_0, C_1, C_2, C_3$ được chuẩn hóa qua phân tích hồi quy thực nghiệm.
  • Xác định giá trị mô đun đàn hồi biểu kiến $E_a$ của khối i-RAK và hệ số tỉ lệ mô đun đàn hồi $n_E = E_b / E_a$.
  • Dựa trên điều kiện bền theo ứng suất kéo chính ($\sigma_{\max} \le f_T$, với $f_T$ là cường độ chịu kéo tĩnh của bê tông, dao động từ $2{,}0 - 5{,}0\text{ MPa}$), luận án đã xác lập bảng giới hạn khối lượng tối đa cho phép ($W_{a,\max}$) của khối phủ RAKUNA-IV đúc bằng bê tông không cốt thép nhằm đảm bảo không bị nứt vỡ khi chịu va đập do sóng.

Chương 4: Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào tính toán thiết kế lớp phủ mái của đê chắn sóng Cảng Chân Mây, tỉnh Thừa Thiên Huế

Chương 4 áp dụng các kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm vào bài toán thiết kế thực tế tại công trình Đê chắn sóng Cảng Chân Mây (Thừa Thiên Huế):

  • Điều kiện biên thiết kế cảng Chân Mây: Phân tích các điều kiện tự nhiên về địa hình đáy biển, chế độ khí tượng thủy văn, các đặc trưng mực nước thiết kế và các tham số sóng nước sâu, sóng tính toán tại chân công trình ($H_s, T_p, s_{0m}$).
  • Tính toán so sánh các phương án khối phủ:
    1. Phương án tính toán theo công thức Hudson: Sử dụng hệ số ổn định $K_D = 9{,}0$ xác định từ Chương 3 cho khối RAKUNA-IV xếp rối 2 lớp, so sánh với khối Tetrapod truyền thống ($K_D = 7{,}0 - 8{,}0$).
    2. Phương án tính toán theo công thức chỉ số ổn định $N_s$: Áp dụng công thức thực nghiệm dạng Van der Meer của luận án để xác định kích thước danh nghĩa $D_n$ và khối lượng đơn vị $W_a$ của khối RAKUNA-IV ứng với mức hư hỏng cho phép $N_{od}$ và số con sóng thiết kế $N_z$.
  • Xác định các thông số hình học lớp phủ: Tính toán chiều dày lớp phủ bảo vệ ($t = 2 k_{\Delta} D_n$) và mật độ xếp khối phủ trên mái đê (số khối $/100\text{ m}^2$).
  • Kiểm tra độ bền kết cấu: Sử dụng công thức tính ứng suất xung kích $\sigma_{c,xk}$ và bảng giới hạn khối lượng theo cấp độ bền bê tông để kiểm tra an toàn kết cấu cho khối RAKUNA-IV tại đê chắn sóng cảng Chân Mây, khẳng định khối phủ được lựa chọn đáp ứng đồng thời tiêu chí ổn định thủy lực và an toàn chịu lực không bị nứt vỡ dưới tác động của sóng bão thiết kế.

Kết quả và những đóng góp mới

Đóng góp mới về mặt khoa học lý luận

  1. Thiết lập hoàn chỉnh quy trình nghiên cứu kết hợp giữa mô hình vật lý trong máng sóng sử dụng khối phủ cảm biến i-RAK và mô hình toán phần tử hữu hạn ANSYS Mechanical APDL để đánh giá đồng thời ổn định thủy lực và độ bền kết cấu của khối phủ bê tông trên mái đê đá đổ.
  2. Đề xuất giải pháp khoa học xác định mô đun đàn hồi biểu kiến $E_a$ và hệ số tỉ lệ mô đun đàn hồi $n_E$, giải quyết triệt để vấn đề sai khác tính chất cơ lý và phá vỡ tính đồng nhất của vật liệu khi cấy cảm biến đo ứng suất vào mô hình khối phủ.
  3. Xác định được hệ số ổn định $K_D = 9{,}0$ và thiết lập công thức thực nghiệm tính toán chỉ số ổn định $N_s$ cho khối phủ RAKUNA-IV trong trường hợp xếp rối 2 lớp trên mái dốc $1:1{,}5$ chịu tác động của sóng không tràn và không vỡ.
  4. Xây dựng công thức thực nghiệm xác định giá trị ứng suất xung kích lớn nhất ($\sigma_{c,xk}$) xuất hiện trong khối RAKUNA-IV do chuyển động xoay lắc dưới tác động của sóng.

Đóng góp mới về mặt thực tiễn

  1. Cung cấp bộ công cụ và bảng tra giới hạn khối lượng tối đa cho phép của khối phủ RAKUNA-IV theo các cấp cường độ bê tông khác nhau, giúp kỹ sư thiết kế lựa chọn mác bê tông và kích thước khối phủ an toàn, tránh hiện tượng nứt vỡ kết cấu trong quá trình khai thác.
  2. Ứng dụng thành công vào tính toán thiết kế lớp phủ bảo vệ đê chắn sóng cảng Chân Mây (Thừa Thiên Huế), mang lại hiệu quả kinh tế - kỹ thuật rõ rệt thông qua việc giảm khối lượng vật liệu bê tông và tăng cường độ ổn định tổng thể.
  3. Cung cấp cơ sở khoa học và dữ liệu thực nghiệm phục vụ việc bổ sung, hoàn thiện các tiêu chuẩn thiết kế công trình thủy công hiện hành như Tiêu chuẩn quốc gia TCVN 9901:2014 và Tiêu chuẩn cơ sở TCCS 02:2017/CHHVN.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế của đề tài

  • Các thí nghiệm mô hình vật lý mới được thực hiện trong máng sóng 2D với hướng sóng tác động trực diện ($\theta = 0^\circ$), chưa khảo sát tác động của sóng xiên và khúc xạ phức tạp trong không gian 3 chiều.
  • Nghiên cứu giới hạn trong điều kiện biên là sóng không tràn (đỉnh đê cao) và sóng không vỡ tại khu vực nước sâu, chưa bao quát toàn bộ các kịch bản sóng vỡ và sóng tràn qua đỉnh đê.
  • Vật liệu khối phủ nghiên cứu chủ yếu là bê tông thông thường không cốt thép, chưa đánh giá định lượng đối với các loại bê tông cường độ cao gia cường sợi (cốt sợi thép, sợi polymer).

Hướng nghiên cứu tiếp theo

  1. Mở rộng nghiên cứu ổn định và độ bền kết cấu của khối RAKUNA-IV trong điều kiện sóng vỡ trên bãi dốc trước công trình và điều kiện có sóng tràn qua đê.
  2. Thực hiện các thí nghiệm trong bể sóng 3D để đánh giá ảnh hưởng của góc sóng tới ($\theta \neq 0^\circ$), sự tập trung năng lượng sóng và dòng chảy ven bờ tới chuyển động xoay lắc của khối phủ.
  3. Nghiên cứu ảnh hưởng của việc bổ sung phụ gia khoáng và cốt sợi phân tán đến khả năng chịu tải trọng xung kích và giảm thiểu nứt vỡ của khối phủ RAKUNA-IV kích thước lớn.
  4. Nghiên cứu tương tác động lực học giữa sự xói lở cục bộ tại chân đê và sự gia tăng ứng suất trong lớp khối phủ bảo vệ.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên sâu và hữu ích cho:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và sinh viên ngành Kỹ thuật Xây dựng công trình Biển, Công trình Thủy, Kỹ thuật Bờ biển tham khảo về phương pháp luận thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng, kỹ thuật đo ứng suất động bằng cảm biến điện trở và phương pháp mô phỏng số bằng ANSYS Mechanical APDL.
  • Các kỹ sư thiết kế, chuyên gia tư vấn công trình cảng - đường thủy: Cung cấp các công thức tính toán chỉ số ổn định $N_s$, hệ số $K_D$, chiều dày lớp phủ, mật độ xếp khối và phương pháp kiểm tra ứng suất nứt vỡ cho khối RAKUNA-IV xếp rối.
  • Các cơ quan quản lý và đơn vị biên soạn tiêu chuẩn: Làm căn cứ thực tiễn để cập nhật, bổ sung các chỉ dẫn kỹ thuật liên quan đến khối phủ dị hình thế hệ mới vào hệ thống tiêu chuẩn TCVN và TCCS chuyên ngành công trình biển.

Câu hỏi thường gặp

1. Khối phủ RAKUNA-IV có đặc điểm hình học gì khác biệt so với khối Tetrapod truyền thống?

Khối RAKUNA-IV có cấu tạo tứ diện đều đẳng hướng gồm 4 chân như Tetrapod nhưng các cạnh được tạo hình góc cạnh hơn và đặc biệt có 4 hốc lõm ở các chân. Cấu tạo này mang lại độ rỗng cao (56,5%), tăng độ nhám bề mặt để tiêu tán năng lượng sóng, đồng thời các chân khối phủ có thể gài cắm chặt vào các hốc lõm của khối lân cận, tạo liên kết không gian vững chắc và hạn chế sự phát triển hư hỏng.

2. Tại sao nghiên cứu độ bền kết cấu lại đặc biệt quan trọng đối với các khối phủ bê tông xếp rối ở vùng nước sâu?

Ở vùng nước sâu, khối phủ thường có kích thước rất lớn và được thi công xếp rối 2 lớp. Dưới tác động liên tục của sóng lớn không vỡ và không tràn, các khối phủ ở lớp mặt dễ bị xoay lắc (rocking) và va đập vào nhau. Do bê tông không cốt thép có cường độ chịu kéo thấp ($2 - 5\text{ MPa}$), các va chạm này tạo ra ứng suất xung kích cục bộ vượt quá giới hạn bền kéo gây nứt gãy. Khi một khối phủ bị vỡ, các mảnh vỡ sẽ trôi dạt và va đập phá hủy các khối xung quanh, làm mất lực liên kết và gây sụp đổ toàn bộ lớp bảo vệ mái đê.

3. Mô hình i-RAK là gì và tác giả đã khắc phục vấn đề sai khác cơ lý của mô hình này bằng cách nào?

i-RAK (Instrumented RAKUNA-IV) là mô hình khối RAKUNA-IV được chế tạo đặc biệt với lõi trụ nhôm (load-cell) có gắn các lá điện trở (strain gauge) FLA-5 đặt bên trong để đo phản lực và ứng suất khi khối chịu tác động của sóng. Việc gắn lõi nhôm làm thay đổi tính đồng nhất của vật liệu mô hình so với khối bê tông nguyên hình. Tác giả đã khắc phục vấn đề này bằng cách mô phỏng phần tử hữu hạn trên ANSYS Mechanical APDL và kiểm định trên dầm tiêu chuẩn để xác định mô đun đàn hồi biểu kiến $E_a$ và hệ số tỉ lệ mô đun đàn hồi $n_E = E_b / E_a$, từ đó quy đổi chính xác giá trị đo được về ứng suất thực tế của kết cấu nguyên hình.

4. Hệ số ổn định $K_D$ và công thức tính chỉ số ổn định $N_s$ do luận án đề xuất có giá trị bao nhiêu?

Đối với khối RAKUNA-IV xếp rối 2 lớp trên mái dốc $1:1{,}5$ trong điều kiện sóng không tràn và không vỡ:

  • Hệ số ổn định theo công thức Hudson là: $K_D = 9{,}0$.
  • Công thức tính chỉ số ổn định $N_s$ thực nghiệm dạng Van der Meer là: $$N_s = \frac{H_s}{\Delta D_n} = \left(2{,}85 \frac{N_{od}^{0{,}5}}{N_z^{0{,}25}} + 1{,}25\right) s_{0m}^{-0{,}2}$$

5. Kết quả của luận án đã được ứng dụng vào công trình thực tế nào?

Kết quả nghiên cứu đã được áp dụng trực tiếp để tính toán thiết kế lớp phủ bảo vệ mái đê chắn sóng Cảng Chân Mây (tỉnh Thừa Thiên Huế). Các tính toán đã xác định kích thước danh nghĩa, khối lượng đơn vị, chiều dày lớp phủ và mật độ xếp khối RAKUNA-IV, đồng thời kiểm tra an toàn chịu lực chống nứt vỡ kết cấu theo các điều kiện sóng bão thiết kế tại khu vực cảng.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Quang Lương đã hoàn thành nghiên cứu toàn diện về ổn định thủy lực và độ bền kết cấu của khối phủ RAKUNA-IV xếp rối 2 lớp trên đê chắn sóng đá đổ trong điều kiện sóng không tràn và không vỡ. Thông qua sự kết hợp giữa thí nghiệm mô hình vật lý máng sóng sử dụng khối cảm biến i-RAK và mô hình toán phần tử hữu hạn ANSYS Mechanical APDL, luận án đã xác định được hệ số ổn định $K_D = 9{,}0$, thiết lập công thức thực nghiệm tính toán chỉ số ổn định $N_s$ và công thức dự báo ứng suất xung kích $\sigma_{c,xk}$ khi khối phủ bị xoay lắc. Các kết quả nghiên cứu đã được ứng dụng vào thiết kế thực tế tại đê chắn sóng Cảng Chân Mây, cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp kỹ thuật có độ tin cậy cao cho việc thiết kế, chế tạo và thi công các công trình đê chắn sóng đá đổ sử dụng khối phủ RAKUNA-IV.