Tổng quan luận án

Tường chắn đất có cốt (Mechanically Stabilized Earth walls - tường MSE) là giải pháp công trình dạng kết cấu tổ hợp được ứng dụng rộng rãi trong xây dựng công trình giao thông, mố cầu, xử lý mái dốc và nền đường đắp cao. Tại Việt Nam, việc triển khai tường MSE sử dụng cốt kim loại trước đây phụ thuộc vào vật liệu và công nghệ ngoại nhập, dẫn đến chi phí đầu tư cao do phải chi trả chi phí bản quyền thiết kế và thương quyền công nghệ. Trong khi đó, khu vực miền Trung sở hữu tiềm năng lớn về vật liệu địa phương với 579 mỏ đất đồi quy hoạch có tổng diện tích 10.980,58 ha và tổng trữ lượng đạt 466.959.485 m³ (theo số liệu quy hoạch đến năm 2020 và định hướng đến năm 2030), cùng mạng lưới doanh nghiệp sản xuất thép xây dựng và gia công mạ kẽm nhúng nóng quy mô lớn.

Tuy nhiên, đặc thù khí hậu ven biển miền Trung chịu tác động mạnh của môi trường xâm thực mặn, tiềm ẩn nguy cơ ăn mòn điện hóa cốt kim loại trong khối đắp, làm suy giảm khả năng chịu lực và tuổi thọ công trình. Đồng thời, việc đánh giá khả năng tương thích của đất đồi địa phương khi kết hợp với cốt mạ kẽm tự chế tạo và bài toán dự báo ăn mòn đa biến phi tuyến vẫn chưa được giải quyết đồng bộ. Từ thực tiễn đó, luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông (mã số: 9580205) của nghiên cứu sinh Nguyễn Thu Hà, dưới sự hướng dẫn khoa học của PGS. Châu Trường Linh và GS. Vũ Đình Phụng tại Trường Đại học Bách khoa – Đại học Đà Nẵng (năm 2023), đã thực hiện đề tài: "Nghiên cứu ứng dụng tường chắn đất dùng cốt mạ kẽm tự chế tạo phù hợp vật liệu đắp khu vực miền Trung có xét thời gian phục vụ".

Mục tiêu chung của luận án là thúc đẩy khả năng tự chủ công nghệ xây dựng, tăng cường khai thác vật liệu cốt thép và đất đồi tại địa phương nhằm hạ giá thành xây dựng, đồng thời kiểm soát ổn định và thời gian phục vụ của kết cấu tường MSE. Các mục tiêu nghiên cứu cụ thể được xác định bao gồm:

  1. Nghiên cứu chế tạo cốt đủ cường độ và chống ăn mòn;
  2. Nghiên cứu vật liệu đắp phù hợp với cốt tự chế tạo;
  3. Thí nghiệm trên mô hình tỉ lệ thực (full-scale model), nghiên cứu sự làm việc của tường MSE có cốt bị ăn mòn dưới tác dụng của tải trọng cho đến phá hoại tường;
  4. Xây dựng mô hình ước lượng chiều dày ăn mòn cốt trong tường;
  5. Xây dựng chương trình dự đoán thời gian phục vụ của tường.

Đối tượng nghiên cứu của luận án là kết cấu tường chắn đất có cốt kim loại liên kết bản mặt bê tông. Phạm vi nghiên cứu giới hạn ở cốt thép mạ kẽm nhúng nóng tự chế tạo từ thép xây dựng thông thường (thép vằn CT5/CT51 đường kính Ф10), vật liệu đắp là cấp phối đất đồi tự nhiên tại các mỏ thuộc khu vực miền Trung, vỏ tường là các tấm bê tông cốt thép đúc sẵn kích thước $1,5 \times 1,5\text{ m}$, và dữ liệu ăn mòn cốt phục vụ huấn luyện mô hình số được thu thập từ các công trình khai thác thực tế kết hợp điều kiện tự nhiên khu vực miền Trung.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Công nghệ đất có cốt bắt đầu phát triển từ năm 1963 khi kỹ sư Henri Vidal đề xuất nguyên lý tính toán và được thử nghiệm xây dựng lần đầu tại Pyrenees năm 1965, tiếp đó là tường MSE trên cao tốc A13 tại Pháp năm 1976. Tại Việt Nam, nguyên lý đất có cốt được GS. Đặng Hữu giới thiệu từ năm 1968 thông qua các thí nghiệm ba trục. Trong thập niên 1970, các chuyên gia từ Trường Đại học Xây dựng, Trường Đại học Giao thông Vận tải, Viện Khoa học Công nghệ Giao thông Vận tải kết hợp với chuyên gia Nguyễn Thành Long (Pháp) đã tiến hành thử nghiệm mô hình trong phòng và xây dựng thí điểm tường chắn cao 4,25 m tại khu vực Đê La Thành - Cầu Giấy (Hà Nội, 1973). Đến cuối thập niên 1990 và đầu những năm 2000, tường MSE bắt đầu được áp dụng cho mố đường đầu cầu Mẹt (Lạng Sơn), cầu Phố Mới (Lào Cai), cầu vượt Lạch Tray (Hải Phòng), cầu vượt Sóng Thần, các tuyến cao tốc Hà Nội - Lào Cai, Pháp Vân - Cầu Giẽ, Đà Nẵng - Quảng Ngãi và nút giao cầu vượt Trần Thị Lý (Đà Nẵng).

Luận án đã hệ thống hóa các nghiên cứu trong và ngoài nước theo ba hướng chính:

  • Hướng nghiên cứu đặc tính vật liệu đắp và cốt: Robert Y. Liang (2004), Bacot (1974), Golam Kibria và cộng sự (2014), Christopher (1990), Mehari T. Weldu (2016), Beenish Jehan Khan (2019) tập trung vào đất rời (cát, sỏi), hỗn hợp cát và lốp xe vụn, cốt lá nhôm hoặc dải kim loại mỏng. Các nghiên cứu của Trần Hoàng Sơn (2014), Schlosser và Guilloux (1981), Joshua Aaron Jensen (2011), Lê Hồng Long (2016) khảo sát cốt thép xây dựng có gờ và ngạnh nhỏ.
  • Hướng nghiên cứu sự làm việc của tường trên mô hình thực nghiệm và mô hình số: Murray và Farrar (1990), Lee và cộng sự (1973), Hamzeh Ahmadi và cộng sự (2015) khảo sát mô hình thu nhỏ; Robert Y. Liang (2004), Joshua Aaron Jensen (2011) thực hiện trên mô hình tỉ lệ thực theo tiêu chuẩn FHWA-NHI-10-025; Chang và cộng sự (1977) quan trắc hiện trường tại Los Angeles. Các nghiên cứu mô phỏng số của Ho và Rowe (1996) dùng phần mềm AFENA, Yan Yu (2012) và Lalinda Weerasekara (2010) dùng FLAC 2D, Beenish Jehan Khan (2019) dùng Plaxis đã phân tích ảnh hưởng của mô đun đàn hồi và độ bền kháng cắt đến chuyển vị và nội lực cốt.
  • Hướng nghiên cứu ăn mòn cốt và thời gian phục vụ: Darbin và cộng sự (1988), Tony L. Beckham (2005), SeonYeob Li và cộng sự (2014) giám sát ăn mòn bằng cảm biến điện trở phân cực; Dawn E. Klinesmith và cộng sự (2007), Biao Hu và cộng sự (2018), Prabir K. Kolay và cộng sự (2019), N. Bozorgzadeh và cộng sự (2017), Lorena-De Arriba-Rodríguez và cộng sự (2018) khoan khảo sát công trình thực tế và xây dựng mô hình hồi quy với hệ số tương quan $R$ dao động từ 0,532 đến 0,834; Victor Padila và cộng sự (2017), Phạm Văn Lim, Trần Trình Khiêm, T-L Chau và cộng sự (2016, 2020), Shahriar Mirmirani và cộng sự (2018) dùng mô hình số nhưng chỉ xét một số ít thông số đầu vào hoặc giới hạn ở ăn mòn cục bộ.

Khoảng trống nghiên cứu được luận án xác định bao gồm: (1) Thiếu các đánh giá thực nghiệm toàn diện về sự phù hợp của đất đồi tự nhiên miền Trung khi làm vật liệu đắp tường MSE; (2) Chưa có nghiên cứu thực nghiệm tỉ lệ thực (full-scale) kiểm chứng ứng xử cơ học của tường MSE sử dụng lưới cốt thép mạ kẽm tự chế tạo có ngạnh liên kết lớn; (3) Các mô hình dự báo ăn mòn cốt hiện hữu chưa tích hợp đầy đủ cơ sở dữ liệu lớn và các yếu tố phi tuyến phức tạp (vật liệu đắp, đặc tính cốt, môi trường) bằng kỹ thuật mạng nơ-ron nhân tạo (ANN).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án dựa trên khung lý thuyết cơ học đất có cốt, trong đó lực nén thẳng đứng của đất được chuyển hóa thành lực kéo trong các lớp cốt thông qua tương tác ma sát tiếp xúc và sức kháng bị động của các thanh cốt ngang/ngạnh liên kết. Cơ sở thiết kế và kiểm toán tuân thủ các tiêu chuẩn: TCVN 11823-11:2017, FHWA-NHI-10-025, AASHTO, BS 8006-1:2010 và AFNOR EN P94-270:2020.

Quá trình ăn mòn kim loại trong đất được phân tích theo lý thuyết ăn mòn điện hóa, hình thành các cặp vi pin anode - cathode do sự không đồng nhất của kim loại và môi trường. Mức độ suy giảm lực kéo của cốt được xác định theo quan hệ: $$\frac{\Delta F}{F} = k \cdot \frac{\Delta e}{e_0}$$ Trong đó $F$ và $\Delta F$ là lực kéo ban đầu và tổn thất lực kéo; $e_0$ và $\Delta e$ là bề dày ban đầu và bề dày tổn thất trung bình trên một mặt cốt; $k$ là hệ số thực nghiệm ($k = 1,8$ hoặc $k = 2$). Bề dày tổn thất ăn mòn theo thời gian $t$ (năm) tuân theo quy luật: $$\Delta e = A \cdot t^n$$ Với $A$ là lượng tổn thất năm đầu tiên và $n$ là hệ số suy giảm tốc độ ăn mòn.

Phương pháp nghiên cứu thực tế bao gồm:

  • Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm: Thực hiện tại các phòng thí nghiệm LAS XD 123, LAS XD 1437, Phòng thí nghiệm Cầu đường và Địa cơ (Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng). Tiến hành kéo đứt mẫu cốt thép, phân tích thành phần hóa học và đo chiều dày lớp mạ kẽm nhúng nóng theo tiêu chuẩn BS EN 10025, BS 4449; thí nghiệm xác định các chỉ tiêu cơ - lý - hóa của 75 mỏ đất đồi miền Trung (thành phần hạt, giới hạn Atterberg $W_L, W_P, I_P$, chỉ số nhóm $GI$, hệ số đồng đều $C_u$, góc ma sát trong $\varphi$, điện trở kháng $Res$, nồng độ ion $Cl^-, SO_4^{2-}$, độ $pH$).
  • Phương pháp thực nghiệm mô hình tỉ lệ thực: Xây dựng mô hình tường chắn kích thước thật ($H = 3\text{ m}$, rộng $1,5\text{ m}$, 4 lớp cốt dài $L = 2,1\text{ m}$) ngoài hiện trường; khoan giảm tiết diện để mô phỏng cốt bị ăn mòn; lắp đặt cảm biến áp lực đáy móng, cảm biến đo biến dạng (strain gauge) trên cốt và trong đất, cảm biến đo dịch chuyển LVDT tại các tấm vỏ tường, thiên phân kế đo khung vây; gia tải từng cấp cho đến khi kết cấu bị phá hoại.
  • Phương pháp mô phỏng số: Ứng dụng phương pháp sai phân hữu hạn (FDM) thông qua phần mềm FLAC 2D để mô phỏng trạng thái ứng suất - biến dạng, lực kéo trong cốt và chuyển vị ngang của tường dưới các cấp tải trọng từ 0 đến 400 kN/m², đối sánh trực tiếp với số liệu đo đạc thực nghiệm.
  • Phương pháp học máy và phát triển phần mềm: Xây dựng cấu trúc mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) đa lớp để mô hình hóa phi tuyến tốc độ ăn mòn cốt; lập trình phần mềm MSE-ANT để tự động hóa tính toán dự báo thời gian phục vụ và tối ưu hóa kích thước cốt.
  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu thực nghiệm của 75 mỏ đất đồi miền Trung kết hợp tập dữ liệu quốc tế gồm 770 mẫu cốt và đất trích xuất từ 125 công trình tường chắn trên hệ thống đường cao tốc tại Pháp do Viện Nghiên cứu Đường ô tô và Đường cao tốc Pháp khảo sát (2004–2007).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về tường chắn đất có cốt

Chương 1 tổng kết lịch sử phát triển, nguyên lý làm việc và phạm vi ứng dụng của tường MSE trong công trình giao thông, thủy lợi và dân dụng. Kết cấu gồm ba thành phần chính: vỏ tường (tấm bê tông cốt thép $1,5 \times 1,5\text{ m}$, dày tối thiểu 140 mm tại vị trí nối cốt và 90 mm ở các vị trí khác), vật liệu đắp và cốt gia cường. Thiết kế tường MSE yêu cầu kiểm soát ba trạng thái ổn định:

  • Ổn định ngoại bộ: Chống trượt đáy, chống lật, độ lún tổng cộng ($\le 50\text{ mm}$), chênh lệch lún dọc ($\le 1/500$ chiều cao tường $H$) và chuyển vị ngang tổng thể ($\le 1/100H$).
  • Ổn định nội bộ: Chống đứt cốt và chống kéo tuột cốt ra khỏi khối đất.
  • Ổn định tổng thể: Chống trượt sâu theo cung trượt tròn với hệ số an toàn $F_s \ge 1,5$.

Chương này phân tích cơ chế ăn mòn điện hóa (ăn mòn đồng đều và ăn mòn cục bộ) và dẫn chứng các sự cố công trình trên thế giới, tiêu biểu là sự sụp đổ của tường MSE cao 11 m tại miền Đông nước Pháp năm 2003 sau 29 năm khai thác (cốt đai mạ kẽm dày 3 mm, lớp mạ 30 µm bị phá hủy do ăn mòn cục bộ). Mức độ an toàn của tường MSE theo lực kéo còn lại $F_{res}$ được phân loại như sau:

Mức lực kéo còn lại ($F_{res}$) Dự báo mức độ an toàn Thời hạn kiến nghị bảo trì, sửa chữa
$F_{res} \ge 0,85F$ Kết cấu đảm bảo an toàn Kiểm tra, giám sát chất lượng định kỳ 5 năm
$0,65F \le F_{res} < 0,85F$ Giảm mức độ an toàn (ăn mòn cục bộ) Tăng cường giám sát, sửa chữa chậm nhất trong 5 năm
$0,5F \le F_{res} < 0,65F$ Nguy cơ mất an toàn nghiêm trọng Giám sát chặt chẽ, tiến hành sửa chữa càng sớm càng tốt
$F_{res} < 0,5F$ Kết cấu hư hỏng, phá hoại Dừng khai thác, tiến hành sửa chữa ngay lập tức

Chương 1 cũng đánh giá tiềm năng cung ứng vật liệu tại miền Trung (579 mỏ đất đồi, các nhà máy thép Việt Nhật, Hòa Phát, VAS Việt Mỹ, Pomina, Dana-Ý và 4 đơn vị mạ kẽm quy mô lớn) và xác lập các nhiệm vụ nghiên cứu khoa học cần giải quyết.

Chương 2: Nghiên cứu thực nghiệm đặc tính của cốt mạ kẽm tự chế tạo và vật liệu đắp khu vực miền Trung

Chương 2 trình bày kết quả thiết kế, gia công và thí nghiệm kiểm chứng lưới cốt mạ kẽm và các chỉ tiêu của đất đồi miền Trung:

  • Cốt mạ kẽm tự chế tạo: Chế tạo từ thép vằn xây dựng CT5 Ф10 (CTCP Thép Việt Nhật) dạng lưới ô vuông gồm 4 thanh dọc (khoảng cách $S_h = 0,375\text{ m}$), các thanh ngang cách nhau 0,45 m, chiều rộng lưới 1,5 m, chiều dài $L = 2,1\text{ m}$ ($L = 0,7H$). Trên lưới hàn bổ sung các ngạnh thép cao 3 cm để tăng cường sức kháng cản bị động. Cốt được mạ kẽm nhúng nóng với chiều dày lớp mạ đạt từ 70 đến 100 µm. Thí nghiệm kéo cho kết quả: giới hạn chảy đạt $265\text{ N/mm}^2$, độ bền kéo đứt đạt $490 \div 608\text{ N/mm}^2$, độ giãn dài tương đối đạt 16%, đáp ứng các quy định của tiêu chuẩn BS EN 10025 và BS 4449.
  • Vật liệu đắp đất đồi miền Trung: Thí nghiệm trên các mẫu thu thập từ 75 mỏ đất san lấp (phân tích chi tiết tổ mẫu tại khu vực Đà Nẵng). Kết quả đo đạc các chỉ tiêu cơ - lý - hóa cho thấy sự dao động lớn về thành phần hạt, chỉ số dẻo $I_P$, hệ số đồng đều $C_u$, góc nội ma sát $\varphi$, điện trở kháng $Res$, hàm lượng ion $Cl^-, SO_4^{2-}$ và độ $pH$.
  • Đánh giá và phân nhóm: Luận án đề xuất thang điểm kỹ thuật và phân nhóm mức độ phù hợp của các mỏ đất đồi miền Trung làm vật liệu đắp cho tường MSE thành 3 nhóm (phù hợp tốt, phù hợp trung bình cần xử lý thoát nước/chọn lọc, và không phù hợp do tính ăn mòn cao hoặc hàm lượng hạt mịn quá lớn).

Chương 3: Nghiên cứu sự làm việc của tường chắn đất có cốt mạ kẽm tự chế tạo trên mô hình thí nghiệm tỉ lệ thực

Chương 3 tập trung thử nghiệm hiện trường trên mô hình tỉ lệ thực kích thước cao $H = 3\text{ m}$, rộng 1,5 m, bố trí 4 lớp cốt ($S_v = 0,75\text{ m}$, $L = 2,1\text{ m}$) kết hợp bản mặt bê tông cốt thép. Mô hình khảo sát các kịch bản cốt nguyên vẹn và cốt bị chiết giảm tiết diện (mô phỏng cốt bị ăn mòn theo thời gian).

Quá trình gia tải tĩnh từng cấp từ 0 đến $300\text{ kN/m}^2$ và $400\text{ kN/m}^2$ kết hợp quan trắc tự động bằng strain gauges, LVDT và áp lực kế đáy móng mang lại các kết quả:

  • Phân bố nội lực và biến dạng cốt: Lực kéo trong cốt phân bố không đều theo chiều sâu tường; lớp cốt số 4 (sát đáy tường) chịu lực kéo lớn nhất và xuất hiện biến dạng cực đại trước khi lan truyền lên các lớp phía trên.
  • Hiệu quả của ngạnh liên kết: Sự hiện diện của ngạnh cao 3 cm làm tăng đáng kể lực kéo huy động trong thanh cốt dọc nhờ huy động thêm sức kháng cản bị động của đất chèn trước ngạnh, giúp giảm hiện tượng trượt tuột cốt.
  • Chuyển vị và mặt phá hoại: Chuyển vị ngang cực đại của tường xuất hiện ở phần đỉnh và thân trên, nằm trong giới hạn cho phép ($< 1/100H$). Mặt trượt phá hoại thực tế trong khối đắp có dạng đường cong đi qua các vị trí có lực kéo cực đại trong từng lớp cốt, tương đồng với dạng mặt phá hoại Rankine hiệu chỉnh và phù hợp kết quả mô phỏng số bằng phần mềm FLAC 2D.
  • Xây dựng công thức thực nghiệm: Luận án đề xuất công thức thực nghiệm xác định hệ số ma sát biểu kiến lớn nhất ($f^*$) giữa đất đồi miền Trung và cốt mạ kẽm có ngạnh theo độ sâu tường, phản ánh sát thực tế hơn so với các công thức lý thuyết tiêu chuẩn hiện hành.

Chương 4: Xây dựng chương trình dự đoán thời gian phục vụ và đánh giá hiệu quả ứng dụng của tường chắn đất có cốt mạ kẽm tự chế tạo

Chương 4 hoàn thiện hai công cụ tính toán và ứng dụng kiểm toán công trình thực tế:

  • Mô hình ANN ước lượng chiều dày ăn mòn cốt: Sử dụng tập dữ liệu 770 mẫu trích xuất từ 125 công trình tường MSE tại Pháp kết hợp dữ liệu đặc tính đất và môi trường miền Trung. Mạng ANN được thiết kế với cấu trúc tối ưu nhiều lớp ẩn. Đánh giá hiệu suất cho thấy mô hình đạt độ chính xác cao qua các chỉ số sai số toàn phương trung bình (MSE), sai số trung bình bình phương gốc (RMSE) và hệ số xác định ($R^2$). Phân tích độ nhạy xác định thời gian khai thác, điện trở kháng đất ($Res$), độ $pH$, độ ẩm ($W$) và nồng độ ion hòa tan là các biến có tầm quan trọng tương đối cao nhất đối với chiều dày ăn mòn $\Delta e$.
  • Chương trình phần mềm MSE-ANT: Được lập trình giao diện trực quan, tích hợp thuật toán mạng nơ-ron để tự động hóa việc tính toán tốc độ ăn mòn, dự báo lực kéo còn lại $F_{res}$, xác định thời gian phục vụ $t'$ và tính toán chiều dày/đường kính tối ưu của cốt mạ kẽm tương ứng với tuổi thọ thiết kế 75 năm hoặc 100 năm.
  • Ứng dụng công trình thực tế: Nghiên cứu điển cứu kiểm toán đoạn tường chắn MSE cao 4 m tại nút giao thông cầu vượt Trần Thị Lý (Đà Nẵng). Mô phỏng số FLAC 2D so sánh 4 phương án cốt gia cường (cốt polymeric, cốt dải kim loại nhập khẩu, cốt thép trơn và cốt mạ kẽm tự chế tạo có ngạnh). Kết quả cho thấy phương án cốt mạ kẽm tự chế tạo đảm bảo đầy đủ các điều kiện ổn định trượt, lật, chuyển vị ngang, đồng thời giảm đáng kể chi phí xây dựng so với việc sử dụng cốt nhập ngoại có phí bản quyền.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới cụ thể sau:

  1. Đóng góp về mặt lý luận và khoa học thực nghiệm:

    • Thiết lập bảng cơ sở dữ liệu thực nghiệm về các chỉ tiêu cơ - lý - hóa của 75 mỏ cấp phối đất đồi tự nhiên khu vực miền Trung phục vụ thiết kế tường MSE.
    • Xây dựng thang điểm và phân nhóm đánh giá mức độ phù hợp của đất đồi tự nhiên miền Trung khi sử dụng làm vật liệu đắp có cốt kim loại.
    • Đề xuất công thức thực nghiệm xác định hệ số ma sát biểu kiến lớn nhất ($f^*$) giữa đất đồi tự nhiên miền Trung và cốt thép mạ kẽm có ngạnh liên kết.
    • Làm sáng tỏ quy luật phân bố ứng suất, biến dạng, chuyển vị ngang và dạng mặt phá hoại của tường MSE dùng cốt mạ kẽm tự chế tạo trên mô hình thí nghiệm tỉ lệ thực (full-scale) khi chịu tải trọng đến giới hạn phá hoại.
    • Xây dựng mô hình ước lượng chiều dày ăn mòn cốt kim loại dựa trên lý thuyết mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) với cơ sở dữ liệu lớn, phản ánh mối quan hệ phi tuyến giữa các yếu tố vật liệu đắp, đặc tính cốt và môi trường.

  2. Đóng góp về mặt thực tiễn và giải pháp đề xuất:

    • Đề xuất giải pháp cấu tạo và công nghệ chế tạo lưới cốt thép mạ kẽm nhúng nóng có ngạnh liên kết từ thép xây dựng thông thường (CT5 Ф10), giúp chủ động nguồn vật tư trong nước và giảm phụ thuộc vào cốt nhập khẩu.
    • Xây dựng thành công chương trình tính toán MSE-ANT, cung cấp công cụ phục vụ công tác tư vấn thiết kế trong việc dự báo thời gian phục vụ, tính toán chiều dày dự phòng ăn mòn và lập kế hoạch bảo trì, duy tu công trình tường MSE.
    • Kiểm chứng giải pháp thiết kế và chứng minh hiệu quả giảm chi phí đầu tư xây dựng khi áp dụng cốt mạ kẽm tự chế tạo tại công trình nút giao cầu vượt Trần Thị Lý (Đà Nẵng).

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Thí nghiệm trên mô hình tỉ lệ thực mới thực hiện dưới tác dụng của tải trọng tĩnh tăng dần đến phá hoại, chưa khảo sát trực tiếp dưới tác động của tải trọng động trùng phục (hoạt tải xe chạy lâu dài) hoặc tải trọng động đất. Cơ sở dữ liệu huấn luyện mô hình ANN dự báo ăn mòn dài hạn chủ yếu kế thừa từ các công trình đường cao tốc tại Pháp kết hợp dữ liệu thực nghiệm trong nước, cần tiếp tục bổ sung số liệu quan trắc ăn mòn dài hạn trực tiếp tại các công trình ven biển Việt Nam.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    • Nghiên cứu ứng xử động và dao động của tường MSE sử dụng cốt mạ kẽm tự chế tạo dưới tác dụng của tải trọng xe chạy và động đất.
    • Mở rộng hệ thống quan trắc hiện trường dài hạn về tốc độ ăn mòn điện hóa của cốt thép chôn trong đất đồi tại các vùng vi khí hậu và môi trường xâm thực mặn khác nhau ở miền Trung nhằm tiếp tục chuẩn hóa cơ sở dữ liệu cho chương trình MSE-ANT.

Giá trị tham khảo

Nội dung luận án là tài liệu tham khảo cho các đối tượng và lĩnh vực sau:

  • Giảng viên, nghiên cứu sinh và học viên cao học: Chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình Giao thông, Địa kỹ thuật công trình tham khảo phương pháp thí nghiệm mô hình tỉ lệ thực (full-scale), cơ chế tương tác đất - cốt có ngạnh và kỹ thuật ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) trong xử lý dữ liệu cơ học đất - công trình.
  • Kỹ sư và đơn vị tư vấn thiết kế: Tham khảo quy cách cấu tạo lưới cốt mạ kẽm tự chế tạo, công thức tính toán hệ số ma sát biểu kiến $f^*$, bảng phân loại mức độ an toàn theo $F_{res}$, và ứng dụng phần mềm MSE-ANT để thiết kế chiều dày cốt dự phòng ăn mòn theo tuổi thọ công trình (75–100 năm).
  • Chủ đầu tư, nhà thầu thi công và cơ quan quản lý: Tham khảo thang đánh giá chất lượng 75 mỏ đất đồi miền Trung và giải pháp sử dụng vật liệu địa phương nhằm tiết kiệm 25% đến 50% chi phí xây dựng tường chắn so với kết cấu bê tông cốt thép truyền thống.

Câu hỏi thường gặp

1. Lưới cốt mạ kẽm tự chế tạo trong nghiên cứu có cấu tạo và thông số kỹ thuật như thế nào?
Lưới cốt được chế tạo từ cốt thép vằn xây dựng CT5 Ф10 (của CTCP Thép Việt Nhật) gồm 4 thanh dọc cách nhau $S_h = 0,375\text{ m}$ và các thanh ngang cách nhau 0,45 m (kích thước lưới rộng 1,5 m, dài $L = 2,1\text{ m}$ tương ứng $0,7H$). Trên lưới hàn các ngạnh thép cao 3 cm để tăng lực ma sát và sức kháng bị động. Cốt được mạ kẽm nhúng nóng với chiều dày lớp mạ đạt từ 70 đến 100 µm; giới hạn chảy đạt $265\text{ N/mm}^2$, độ bền kéo đứt đạt từ 490 đến $608\text{ N/mm}^2$ và độ giãn dài tương đối đạt 16%.

2. Tiêu chuẩn dự báo mức độ an toàn và thời hạn bảo trì của tường MSE theo lực kéo còn lại ($F_{res}$) được xác định ra sao?
Theo luận án, mức độ an toàn được chia thành 4 cấp: (1) $F_{res} \ge 0,85F$: kết cấu đạt an toàn, kiểm tra chất lượng định kỳ trong vòng 5 năm; (2) $0,65F \le F_{res} < 0,85F$: giảm mức độ an toàn do ăn mòn cục bộ, cần sửa chữa chậm nhất trong 5 năm; (3) $0,5F \le F_{res} < 0,65F$: có vấn đề nghiêm trọng dẫn đến phá hoại, cần sửa chữa càng sớm càng tốt; (4) $F_{res} < 0,5F$: kết cấu hư hỏng, phá hoại, cần tiến hành sửa chữa ngay.

3. Thí nghiệm mô hình tỉ lệ thực (full-scale) đã chứng minh vai trò cơ học nào của ngạnh liên kết trên cốt?
Kết quả quan trắc ứng suất - biến dạng trên mô hình tỉ lệ thực cao 3 m chỉ ra rằng việc bố trí ngạnh cao 3 cm trên lưới cốt thép làm tăng trưởng đáng kể lực kéo được huy động trong thanh cốt dọc so với cốt trơn hoặc cốt không ngạnh. Ngạnh liên kết tạo ra sức kháng cản bị động cục bộ của khối đất chèn trước ngạnh, giúp tăng cường hệ số ma sát biểu kiến ($f^*$) và hạn chế nguy cơ tuột cốt khi khối đắp chịu tải trọng lớn.

4. Phần mềm MSE-ANT được phát triển nhằm mục đích gì và vận hành trên nguyên lý nào?
MSE-ANT là chương trình tính toán chuyên dụng được xây dựng dựa trên thuật toán mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) kết hợp cơ sở dữ liệu ăn mòn đa biến (gồm các thông số vật liệu đắp, tính chất cốt, thời gian và điều kiện môi trường). Phần mềm có chức năng tự động ước lượng chiều dày ăn mòn cốt theo thời gian, tính toán giá trị lực kéo còn lại $F_{res}$, dự đoán thời gian phục vụ $t'$ của tường MSE và xác định kích thước/chiều dày tối ưu của cốt mạ kẽm đáp ứng tuổi thọ thiết kế.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Thu Hà đã giải quyết toàn diện bài toán ứng dụng vật liệu địa phương khu vực miền Trung trong xây dựng tường chắn đất có cốt mạ kẽm tự chế tạo có xét đến yếu tố ăn mòn theo thời gian. Thông qua phương pháp nghiên cứu kết hợp giữa thực nghiệm phòng thí nghiệm (75 mỏ đất và mẫu cốt thép), mô hình tỉ lệ thực ngoài hiện trường ($H = 3\text{ m}$), mô phỏng số FLAC 2D và mô hình trí tuệ nhân tạo ANN, công trình đã xác lập thang đánh giá đất đồi, công thức xác định hệ số ma sát biểu kiến và phần mềm MSE-ANT phục vụ dự báo tuổi thọ công trình. Kết quả nghiên cứu khẳng định tính khả thi kỹ thuật và hiệu quả kinh tế của giải pháp, mở ra khả năng tự chủ công nghệ thi công tường MSE trong xây dựng công trình giao thông tại Việt Nam.