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

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNTVIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM NGUYỄN MẠNH TRƯỜNG NGHIÊN CỨU XÁC ĐỊNH CHIỀU SÂU THÂM NHẬP CỦA HỖN HỢP ASPHALT VÀO KHE RỖNG ĐÁ HỘC VÀ MÔ ĐUN

NGUYỄN MẠNH TRƯỜNG

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

LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT

HÀ NỘI - 2020

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT

VIỆN KHOA HỌC THUỶ LỢI VIỆT NAM

NGUYỄN MẠNH TRƯỜNG

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

Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy

LỜI CAM ĐOAN

Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả Các kếtquả nghiên cứu và các kết luận trong luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳmột nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào Việc tham khảo các nguồn tài liệu(nếu có) đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định

Tác giả luận án

Nguyễn Mạnh Trường

Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn gia đình, đồng nghiệp và bạn bè luônđộng viên, khích lệ để tác giả hoàn thành luận án.

Tác giả

Nguyễn Mạnh Trường

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT vi

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ vii

DANH MỤC BẢNG BIỂU x

MỞ ĐẦU 1

1 Đặt vấn đề 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 2

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3

4 Phương pháp nghiên cứu 3

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 3

6 Những đóng góp mới của luận án 4

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 5

1.1 Khái quát chung về đê biển và kè bảo vệ mái 5

1.1.1 Khái quát chung 5

1.1.2 Các dạng kết cấu bảo vệ mái đê biển ở Việt Nam 6

1.2 Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc 8

1.2.1 Thành phần vật liệu 8

1.2.2 Vai trò, tính chất của vật liệu thành phần 9

1.3 Tổng quan về kết quả nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc cho kết cấu bảo vệ mái đê biển 11

1.3.1 Trên thế giới 11

1.3.2 Ở Việt Nam 20

1.4 Các nghiên cứu về chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt và mô đun đàn hồi của kết cấu mái đê biển 22

1.4.1 Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc 22

-iv-1.4.2 Mô đun đàn hồi của kết cấu mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp

asphalt chèn trong đá hộc 27

1.5 Những vấn đề đặt ra và hướng nghiên cứu 33

1.5.1 Nghiên cứu chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc 33

1.5.2 Nghiên cứu mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc 34

1.6 Kết luận chương 1 35

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 36

2.1 Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc 36

2.1.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến chiều sâu thâm nhập 36

2.1.2 Xác định chiều sâu thâm nhập theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm 40

2.2 Mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển 46

2.2.1 Những yếu tố ảnh hưởng tới mô đun đàn hồi 46

2.2.2 Xác định mô đun đàn hồi theo phương pháp thực nghiệm 48

2.3 Kết luận chương 2 57

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 58

3.1 Chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc 58

3.1.1 Mô phỏng toán học 58

3.1.2 Các yêu cầu mẫu và thiết bị thí nghiệm 60

3.1.3 Trình tự thí nghiệm 61

3.1.4 Kết quả thí nghiệm 62

3.1.5 Tìm phương trình thực nghiệm 66

3.2 Mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc 71

3.2.1 Xác định mô đun đàn hồi trong phòng thí nghiệm 71

3.2.2 Xác định mô đun đàn hồi ngoài hiện trường 77

3.2.3 Xây dựng công thức thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi 87

3.3 Kết luận chương 3 92

CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN HẢI HẬU - NAM ĐỊNH 94

4.1 Đặc điểm đoạn đê biển thi công thử nghiệm 94

4.2 Ứng dụng kết quả nghiên cứu xác định mô đun đàn hồi tính toán thiết kế kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc 95

4.2.1 Xác định điều kiện biên 95

4.2.2 Tính toán chiều dày lớp giá cố 97

4.2.3 Kiểm tra điều kiện an toàn lớp gia cố 100

4.2.4 So sánh, đánh giá kết quả nghiên cứu 106

4.3 Ứng dụng kết quả nghiên cứu xác định chiều sâu thâm nhập so sách, đánh giá với kết quả nghiên cứu của đề tài KHCN cấp nhà nước ĐTĐL.2012-T/06 106

4.3.1 Mô hình thi công thử nghiệm 106

4.3.2 So sánh đánh giá độ nhớt nghiên cứu của luận án với kết quả nghiên cứu của đề tài KHCN cấp nhà nước ĐTĐL.2012-T/06 110

4.4 Kết luận chương 4 111

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 113

1 Kết luận: 113

2 Những tồn tại, hạn chế 113

3 Kiến nghị 114

DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ 115

TÀI LIỆU THAM KHẢO 116

PHỤ LỤC 120

Tiêu chuẩn thí nghiệm của Hiệp hội vật liệu và thử nghiệm Hoa Kỳ

(American Society for Testing and Materials)

Bê tông cốt thép

Bê tông nhựaĐại học Thủy lợi

Đề tài độc lậpHiệp hội mặt đường asphalt Châu Âu

(European Asphalt Pavement Assosication)

Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

(Fully grouted stone asphalt)

Giao thông vận tảiHàm mục tiêuKhoa học công nghệKhoa học Thủy lợiNghiên cứu sinhNông nghiệp và Phát triển nông thônNhà xuất bản

Phương trình hồi quiTiêu chuẩn ngànhTiêu chuẩn Việt NamPhòng nghiên cứu vận tải và đường

(Transport and Road Research Laboratory)

Tiến sỹ kỹ thuật

DANH MỤC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1 1- Các dạng mặt cắt ngang đê biển [7] 6

Hình 1 2- Một số hình ảnh kết cấu bảo vệ mái đê biển Việt Nam [11],[12] 7

Hình 1.3- Ứng dụng loại vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc thi công đê biển ở Hà Lan năm 2013 [10] 12

Hình 1 4 - Mô hình thử nghiệm gia tăng áp lực đẩy nổi [33] 14

Hình 1 5 - Mô phỏng số của kè trong quá trình thử kéo (Frissen 2002)[33] 15

Hình 1 6- Mặt cắt điển hình đê chắn sóng [30] 16

Hình 1 7- Mặt cắt đề xuất sử dụng vật liệu asphalt [21] 16

Hình 1 8- Mặt cắt đê truyền thống và đê sử dụng vật liệu asphalt [21] 17

Hình 1 9- Đê biển phía Tây Nam Hà Lan sử dụng vữa asphalt chèn đá bazan[33] 17

Hình 1 10- Thiết bị rải san đầm vật liệu asphalt trên mái nghiêng [28] 19

Hình 1 11- Thiết bị vận chuyển và trạm trộn di động chuyên dụng [10] 19

Hình 1 12- Thiết bị đo độ nhớt Kerkhoven[31] 23

Hình 1 13- Biểu đồ để dự tính mô đun độ cứng của vật liệu hỗn hợp có bitum[17] 32

Hình 1 14- Biểu đồ xác định mô đun độ cứng của bitum (Van de Poel)[17] 33

Hình 2 1- Xác định tải trọng trục bánh xe 52

Hình 3 1- Sơ đồ kế hoạch thực nghiệm 59

Hình 3 2 - Một số trang thiết bị dụng cụ thí nghiệm 61

Hình 3 3- Một số hình ảnh quá trình thí nghiệm chiều sâu thâm nhập 65

Hình 3 4- Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với kích thước đá hộc và độ nhớt, dạng 2D 68

-viii-Hình 3 5- Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với kích thước đá hộc và

độ nhớt, dạng 3D 68

Hình 3 6- Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với kích thước đá hộc ứng với các độ nhớt khác nhau 69

Hình 3 7- Biểu đồ quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập với độ nhớt hỗn hợp asphalt ứng với các loại kích thước đá hộc khác nhau 70

Hình 3 8- Một số hình ảnh trong quá trình đúc mẫu thí nghiệm trong phòng 73

Hình 3 9 - Một số hình ảnh quá trình thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng 75 Hình 3 10 - Biểu đồ tương quan giữa nhiệt độ thí nghiệm và mô đun đàn hồi trong phòng 76

Hình 3 11- Hê thống chất tải bằng máy đào 78

Hình 3 12- Kích thủy lực sử dụng đo mô đun đàn hồi hiện trường 78

Hình 3 13- Tấm ép cứng sử dụng đo mô đun đàn hồi hiện trường 79

Hình 3 14- Đồng hồ đo biến dạng tại hiện trường 79

Hình 3 15 - Sơ đồ bố trí các điểm đo mô đun đàn hồi tại hiện trường 82

Hình 3 16- Chi tiết cấu tạo các lớp kết cấu mái đê biển 83

Hình 3 17 - Biểu đồ tương quan giữ nhiệt độ và mô đun đàn hồi tại hiện trường 86 Hình 3 18 - Biểu đồ tương quan giữa nhiệt độ với mô đun đàn hồi trong phòng và mô đun đàn hồi hiện trường 87

Hình 3 19 - Biểu đồ tương quan giữa mô đun đàn hồi trong phòng và mô đun đàn hồi hiện trường 88

Hình 3 20 - Biểu đồ tán xạ giữa Eht và Etp 89

Hình 3 21- Đường biểu diễn mối liên hệ giữa mô đun đàn hồi hiện trường và mô đun đàn hồi trong phòng 91

Hình 4 1- Vị trí đoạn đê biển nghiên cứu 94

Hình 4 2- Hiện trạng hư hỏng đê biển Cồn Tròn - Hải Hậu [10] 94

Hình 4 3- Đoạn đê sau thi công thử nghiệm 95

Hình 4 4- Quan hệ chiều dày, phản lực nền, độ cao sóng tiêu chuẩn, mái dốc đê đối với lớp gia cố bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc [31] 97

Hình 4 5 - Biều đồ áp lực sóng tính toán lớn nhất tác dụng lên mái dốc 98

Hình 4 6- Biểu đồ áp lực sóng phân bố đều trên mặt cắt 99

Hình 4 7- Biến dạng lớp gia cố bằng hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc [32] 101

Hình 4 8- Sơ đồ tính toán kiểm tra tác động của sóng dội [32] 101

Hình 4 9- Sơ đồ áp lực đẩy nổi dưới đáy lớp gia cố asphalt [31] 104

Hình 4 10- Kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc [10] 107

Hình 4 11- Sơ đồ bố trí tổng thể mặt bằng thi công [10] 108

Hình 4 12- Mặt bằng bố trí các điểm thí nghiệm rút viên đá [10] 109

Hình 4 13- Cân khối lượng viên đá hộc và thí nghiệm rút viên đá hộc [10] 110

-x-DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1- Sản lượng sử dụng asphalt cho các công trình đê biển trên thế

giới[10] 18

Bảng 1 2- Bảng quan hệ giữa chiều cao sóng và chiều dày lớp vật liệu hỗn hợp[31] 18

Bảng 1 3- Kết quả thí nghiệm độ nhớt của hỗn hợp asphalt [10] 24

Bảng 1 4- Đặc trưng tính toán của hỗn hợp đá nhựa [1] 29

Bảng 1 5 - Đặc trưng tính toán của các loại vật liệu [1] 30

Bảng 2 1- Ma trận thực nghiệm theo mô hình bậc hai (5 thí nghiệm ở tâm) 44

Bảng 2 2- Giá trị cánh tay đòn d 44

Bảng 2 3- Các thông số của trục sau xe đo tiêu chuẩn 52

Bảng 3 1- Khoảng biến thiên của các biến 59

Bảng 3 2- Ma trận kế hoạch hóa thực nghiệm 60

Bảng 3 3- Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ lý của cát vàng [10] 62

Bảng 3 4- Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu cơ lý của bột đá [10] 63

Bảng 3 5- Kết quả thí nghiệm một số chỉ tiêu cơ lý bitum [10] 63

Bảng 3 6- Kết quả thí nghiệm đá hộc[10] 64

Bảng 3 7- Cấp phối hỗn hợp asphalt [10] 64

Bảng 3 8- Kết quả thí nghiệm chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt 66

Bảng 3 9- Mô hình và kết quả phân tích ANOVA với hàm mục tiêu là chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc (ℓ) 67

Bảng 3 10 - Bảng tra chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc 71

Bảng 3 11- Tổng hợp giá trị thí nghiệm mô đun đàn hồi trong phòng 76

Bảng 3 12- Tổng hợp kết quả đo mô đun đàn hồi chung hiện trường 83

Bảng 3 13- Tổng hợp giá trị mô đun đàn hồi của lớp kết cấu bằng vật liệu hỗnhợp asphalt chèn trong đá hộc 84Bảng 3 14- Tổng hợp kết quả thí nghiệm mô đun đàn hồi hiện trường Eht củalớp kết cấu bằng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc 85Bảng 4 1- Kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu chất lượng của hỗn hợp asphalt [10]108

Bảng 4 2- Kết quả thí nghiệm rút viên đá khỏi khối đổ tại hiện trường [10] 110

-1-MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Nước ta có trên 3260 km bờ biển trải dài từ Bắc vào Nam với hệ thống đê biển

đã được hình thành củng cố qua nhiều thời kỳ Hệ thống đê biển là tài sản quý củaQuốc Gia, là hạ tầng cơ sở quan trọng đối với sự phát triển ổn định kinh tế, xã hội,quốc phòng và an ninh [10]

Đê biển là loại công trình quan trọng, dù nó không quá phức tạp về mặt kết cấu,nhưng có những đặc điểm riêng Đó là chiều dài lớn hơn nhiều so với chiều cao, điqua nhiều dạng địa hình địa chất khác nhau, được hình thành trong thời gian dài vớinhiều công nghệ thi công không giống nhau An toàn và hiệu quả của đê biển phụthuộc rất lớn vào điều kiện tự nhiên (nhất là địa chất nền và tác động của các yếu tốthủy hải văn, sóng biển), hoạt động của con người Sự cố với đê biển có thể xảy rabất ngờ cả về thời gian và không gian Do chuẩn thiết kế ở mức độ nhất định màthực tế có thể xảy ra vượt thiết kế, thiết kế chưa tính hết, hình thức công trình chưaphù hợp, thi công chưa đảm bảo chất lượng ở đâu đó, công tác duy tu bảo dưỡngchưa tốt, hỏng dần theo thời gian… An toàn và hiệu quả của đê biển trong bảo vệđất đai, dân cư, kinh tế và phòng chống thiên tai (nhất là nước biển dâng, sóng bão,xói lở bờ bãi, biển xâm lấn…) phụ thuộc rất nhiều vào quy mô, độ bền về cường độ

về ổn định trượt, biến dạng của các bộ phận tạo nên đê, các công trình trong đê biển,trên đê biển, trong đó có kết cấu bảo vệ mái đê biển

Các nước trên thế giới cũng như ở Việt Nam, ngoài vật liệu truyền thống như:

đá hộc, bê tông, bê tông cốt thép , đã nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu bitum điểnhình nhất là Hà Lan đã sử dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc từ nhữngnăm 1960 Loại vật liệu đó vẫn bền vững cho đến ngày nay Nếu biết thừa hưởngnhững nghiên cứu trên ở các nước phát triển để nghiên cứu kết cấu bảo vệ mái đêbiển ở Việt Nam là cần thiết

Ở Việt Nam do thay đổi về điều kiện thủy lực, thủy văn, vật liệu xây dựng, côngnghệ thi công… nên việc nghiên cứu sẽ theo hướng kế thừa những kết quả nghiên cứucủa các nước phát triển và điều chỉnh cho phù hợp

Qua các kết quả nghiên cứu của các nước trên thế giới và đề tài KHCN cấp nhà

nước, mã số ĐTĐL.2012-T/06 “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp để gia cố đêbiển chịu được nước tràn qua do sóng, triều cường, bão và nước biển dâng” đã chothấy tính khả thi và sự phù hợp của loại vật liệu này Tuy nhiên trong đềĐTĐL.2012-T/06 vẫn còn nhiều vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu, trong đó cóhai nội dung chính mà NCS muốn tiếp tục đi sâu vào nghiên cứu hoàn thiện.

Thứ nhất: Theo nghiên cứu ở ngoài nước, chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt

vào khe rỗng đá hộc hiện chưa có công thức tính toán hoặc việc xác định chiều sâuthâm nhập bằng kết quả thí nghiệm sẽ mất rất nhiều thời gian Một vấn đề nữa làtrong tính toán cấp phối của vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc, việc xácđịnh độ nhớt của hỗn hợp asphalt vẫn lấy theo kinh nghiệm Vì vậy, tác giả tiếnhành nghiên cứu thiết lập quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vớikích thước đá hộc và độ nhớt hỗn hợp asphalt Qua đó xác định được chiều sâuthâm nhập và độ nhớt phục vụ tính toán thiết kế, thi công ứng dụng loại vật liệu hỗnhợp asphalt chèn trong đá hộc cho kết cấu bảo vệ mái đê biển

Thứ hai: Ở nước ngoài, theo [31] chiều dày của lớp gia cố được tính bằng hai

phương pháp là tra biểu đồ hoặc công thức giải tích Ở Việt Nam nghiên cứu [10] đã sửdụng phương pháp tra biểu đồ Theo đó, việc tính toán rất thuận lợi, nhưng kết quả có

độ chính xác không cao Để hoàn thiện tiếp phương pháp tính toán chiều dày lớp

gia cố (h) bằng công thức giải tích h = 0,75.

1

2 Mục tiêu nghiên cứu

Thiết lập mối quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt với kíchthước đá hộc và độ nhớt hỗn hợp asphalt cho kết cấu bảo vệ mái đê biển Việt Nam.Thiết lập mối quan hệ giữa mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng

-3-vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc ở trong phòng thí nghiệm và hiện trường.Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt và mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệmái đê biển kiểm tra, tính toán trên mô hình áp dụng thực tế

3 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Đối tượng nghiên cứu là kè đá hộc bảo vệ mái đê phía biển, dạng mái nghiêng

m = 3 ÷ 4 các tỉnh phía Bắc

Phạm vi nghiên cứu là sự thâm nhập của hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc vàmột số chỉ tiêu cơ học của vật liệu và kết cấu

4 Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu lý thuyết: Nghiên cứu các tài liệu trong và ngoài nước về xây dựngcông thức thực nghiệm xác định chiều sâu thâm nhập và mô đun đàn hồi của kết cấubảo vệ mái đê biển

Nghiên cứu thực nghiệm: Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng và hiện trường vềchiều sâu thâm nhập, độ nhớt hỗn hợp asphalt, kích thước đá hộc, mô đun đàn hồi củakết cấu bảo vệ mái đê biển theo các tiêu chuẩn hiện hành trong nước và Quốc tế, đồngthời kết hợp với các phương pháp phi tiêu chuẩn để có những kết quả chính xác, là cơ

sở chứng minh cho những nhận định, luận điểm mà lý thuyết đưa ra

Phương pháp chuyên gia: Tổ chức hội thảo khoa học và các cuộc họp có phảnbiện, bao gồm các nhà khoa học có hiểu biết chuyên sâu về chuyên ngành kỹ thuậtxây dựng công trình thủy đến họp, cho ý kiến góp ý, đánh giá, phản biện kết quảnghiên cứu

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

Về khoa học: Luận án đã nghiên cứu làm rõ mối quan hệ giữa các chỉ tiêu cơ lýcủa vật liệu, để xác định chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đáhộc và mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển

Về thực tiễn: Góp phần hoàn thiện phương pháp xác định chiều sâu thâm nhập,

độ nhớt của hỗn hợp asphalt và mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển,phục vụ cho việc tính toán chiều dầy lớp kết cấu bảo vệ mái, thiết kế cấp phối và thicông kè bảo vệ mái đê biển bằng đá hộc có sử dụng hỗn hợp asphalt ở Việt Nam

6 Những đóng góp mới của luận án

(1) Luận án đã xây dựng phương pháp luận và thiết lập công thức thực nghiệmxác định chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc, công thức

(3.3)

(2) Luận án đã xây dựng phương pháp luận và thiết lập công thức thực nghiệmxác định mô đun đàn hồi của kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphaltchèn trong đá hộc, công thức (3.7)

-5-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 1.1 Khái quát chung về đê biển và kè bảo vệ mái

1.1.1 Khái quát chung

Việt Nam là một quốc gia năm trong khu vực ổ bão tây bắc Thái Bình Dươngvới đường bở biển dài Hệ thống đê biển của nước ta đã được hình thành từ rất sớm,

là minh chứng cho quá trình chống chọi với thiên nhiên không ngừng của ngườiViệt Nam Hệ thống đê biển đã được xây dựng, bồi trúc và phát triển qua nhiều thế

hệ với vật liệu chủ yếu là đất và đá lấy tại chỗ do người địa phương tự đắp bằngphương pháp thủ công

Theo xu thế phát triển hiện nay, vùng ven biển nước ta sẽ là một vùng kinh tếtrọng điểm năng động và ngày càng đóng vai trò quan trọng hơn trong nền kinh tếquốc dân và an ninh quốc phòng Do vậy, phải xây dựng tuyến đê biển kết hợp đamục tiêu vừa phòng chống thiên tai, ngăn lũ, kiểm soát mặn, bảo đảm an toàn dânsinh, kinh tế cho vùng đê bảo vệ, đồng thời kết hợp là tuyến đường giao thông venbiển quan trọng phục vụ phát triển kinh tế, du lịch, an ninh quốc phòng Tạo tiền đềthúc đẩy phát triển kinh tế, đảm bảo phát triển bền vững khu vực ven biển

Đê biển là loại công trình quan trọng, tuỳ thuộc vào quy mô và tính chất củakhu vực tuyến đê bảo vệ mà được phân thành 5 cấp [7] Cấp công trình đê biển làcăn cứ để xác định các yêu cầu kỹ thuật bắt buộc phải tuân thủ theo các mức khácnhau phù hợp với quy mô và tầm quan trọng của công trình đê biển, là cơ sở và căn

cứ pháp lý để thiết kế và quản lý đê biển Cấp thiết kế công trình đê biển cũng là cấpcông trình đê biển Căn cứ vào điều kiện dân sinh kinh tế và môi trường, địa hình,địa chất, khí tượng thủy văn, hải văn… để lựa chọn vị trí tuyến đê, hình dạng tuyến

đê và hình dạng mặt cắt đê biển

Căn cứ vào đặc điểm hình học của mái đê phía biển, mặt cắt đê biển được chiathành 3 loại chính là đê mái nghiêng, đê tường đứng và đê hỗn hợp (trên nghiêngdưới đứng hoặc trên đứng dưới nghiêng) Căn cứ vào điều kiện địa hình, địa chất,thủy hải văn, vật liệu xây dựng, điều kiện thi công và yêu cầu sử dụng để chọn dạngmặt cắt đê biển phù hợp Hình 1.1 giới thiệu 8 dạng mặt cắt điển hình [7]

Hình 1 1- Các dạng mặt cắt ngang đê biển [7]

Để đảm bảo an toàn và hiệu quả của đê biển, việc tính toán lựa chọn quy mô,hình thức xử lý nền, hình dạng mắt cắt và vật liệu sử dụng cho thân đê, các côngtrình qua thân đê, các công trình trên đê trong đó có hình thức kè bảo vệ mái đê biển

là vô cùng quan trọng

Kè bảo vệ mái có 3 bộ phận chính: Đỉnh kè (thường có tường đỉnh), thân kè vàchân kè Kè có rất nhiều loại cấu tạo khác nhau (cứng-mềm; bê tông - đá xây - đá đổ

- đá lát khan - đá chít mạch; đổ tại chỗ - lắp ghép; phối hợp)

1.1.2 Các dạng kết cấu bảo vệ mái đê biển ở Việt Nam

Hệ thống đê biển của nước ta hiện tại đang sử dụng phổ biến các dạng kết cấubảo vệ mái, bao gồm: Trồng cỏ (1); Đá hộc thả rối (2); Đá hộc lát khan (3); Đá hộcxây (4); Thảm rọ đá (5); Tấm bê tông đúc sẵn, ghép rời (6); Tấm bê tông đúc sẵn,liên kết mảng (7); Hỗn hợp nhiều loại (8)…[7] Một số hình ảnh kết cấu mái đê biểnnhư hình 1.2

7-a Giá cố mái bằng trồng cỏ tuyến đê biển

Đồng Môn Hà Tĩnh

b Đá hộc thả rối, đê biển Cát Hải Hải Phòng

c.Đá lát khan, giữ bằng khung đá xây đê

biển Hải Hậu, Nam Định d.Đá xây chia ô, đê biển Hải Thịnh IINam Định

e.Thảm rọ đá đê biển Lạch Vạn Nghệ An f.Cấu kiện bê tông đúc sẵn ghép rời

g.Cấu kiện bê tông đúc sẵn, liên kết mảng đê biển Nghĩa Phúc Nam Định

Hình 1 2- Một số hình ảnh kết cấu bảo vệ mái đê biển Việt Nam [11],[12]

Cho đến nay, các giải pháp kết cấu bảo vệ mái đê biển trên đã được áp dụngmột cách phổ biến Tuy nhiên, mỗi một giải pháp chỉ có một phạm vi thích hợp nhấtđịnh Bên cạnh đó, phần lớn chúng bộc lộ các khuyết điểm như mái đê dễ bị xói sạtkhi mưa lớn, sóng leo trong bão, sóng biển mạnh ăn mòn lớp gia cố đê biển bằng bêtông một cách nhanh chóng làm cho tuổi thọ lớp bảo vệ này giảm đáng kể, thườngxuyên phải thay bằng các tấm bê tông mới rất tốn kém, giá thành cao, thời gian thicông dài, gây ô nhiễm môi trường Vì vậy, việc tiếp tục nghiên cứu ứng dụng cácgiải pháp khoa học công nghệ mới, ứng dụng công nghệ đã có ở nước ngoài để bảo

vệ mái đê ổn định và bền vững luôn là nhiệm vụ cấp thiết

1.2 Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

1.2.1 Thành phần vật liệu

Vật liệu dùng cho hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc về cơ bản bao gồm: cốtliệu chính (cát), bột đá, phụ gia (nếu có), chất kết dính (bitum) Hỗn hợp asphaltchèn trong đá hộc là một dạng vật liệu hỗn hợp với hàm lượng bitum cao (vàokhoảng 14-20% so với tổng khối lượng hỗn hợp), ở nhiệt độ 120oC-170oC hỗn hợp

ở trạng thái nhớt lỏng khi thi công để có thể tự chèn lấp đầy vào các khe rỗng giữacác viên đá hộc

Các tính chất của vật liệu hỗn hợp asphalt phụ thuộc vào tỉ lệ và tính chất củacác vật liệu thành phần, phụ thuộc vào sự phân bố chất kết dính trong hỗn hợp vàmức độ dính kết giữa cốt liệu và bitum Mỗi thành phần trong hỗn hợp đóng một vaitrò nhất định và có liên quan chặt chẽ đến nhau trong việc tạo nên một khối liên kết

có đủ các tính chất cần thiết của vật liệu gia cố bảo vệ mái đê biển

Cốt liệu với chức năng tạo bộ khung chịu lực cho hỗn hợp Thành phần kích cỡhạt cốt liệu phải đảm bảo thoả mãn đường cong cấp phối tiêu chuẩn, được quy địnhcho mỗi loại hỗn hợp khác nhau với mục đích tạo khung chịu lực bền vững, mà vẫnđảm bảo màng chất dính kết đủ bao bọc và kết dính các hạt cốt liệu

Bitum là một thành phần cơ bản, đồng thời là thành phần tạo nên tính chất tiêubiểu của hỗn hợp asphalt, đó là tính đàn hồi - nhớt ở nhiệt độ thấp và dẻo - chảy ở nhiệt

độ cao [15] Các tính chất của bitum thay đổi hẳn về bản chất khi điều kiện chịu

Một thành phần nữa trong vật liệu hỗn hợp asphalt cần phải kể đến là phụ gia.

Có nhiều loại phụ gia được nghiên cứu sử dụng để cải thiện tính chất nhất định củavật liệu asphalt, phù hợp với một mục đích sử dụng nhất định

1.2.2 Vai trò, tính chất của vật liệu thành phần.

1.2.2.1 Cốt liệu

Ảnh hưởng của cốt liệu đến tính chất và khả năng chịu lực của vật liệu hỗn hợpasphalt là rất lớn Cốt liệu lý tưởng cho hỗn hợp phải có cấp phối hợp lý, cường độcao, khả năng chịu lực tốt Những tính chất khác bao gồm độ rỗng thấp, bề mặt xù

xì, ít bị bám bẩn

Cấp phối, cường độ, độ hao mòn, và hình dạng của cốt liệu là rất quan trọng ảnhhưởng đến sự ổn định của kết cấu Độ rỗng và đặc trưng bề mặt vật liệu khoáng ảnhhưởng rất lớn đối với mối liên kết giữa bitum và bề mặt vật liệu khoáng Chất kếtdính asphalt hay các sản phẩm của nó phải dính chặt vào cốt liệu và đồng thời phảibao phủ toàn bộ bề mặt cốt liệu Nếu cốt liệu có độ rỗng thấp và trơn nhẵn chất kếtdính asphalt không thể dính vào cốt liệu Sự dính bám trở thành một chỉ tiêu rấtquan trọng khi hỗn hợp bị đặt trong môi trường nước Nếu cốt liệu rất dễ thấm ướt,nước sẽ cạnh tranh với bitum để ngấm vào bề mặt cốt liệu và cốt liệu sẽ bị tách rakhông dính vào bitum Hiện tượng này đã được biết và nó được gọi là sự bong, tróccủa bitum với vật liệu khoáng [15],[16]

1.2.2.2 Cát

Vai trò của cát trong vật liệu hỗn hợp asphalt là chèn kẽ hở giữa các hạt cốt liệulớn, làm tăng độ đặc của hỗn hợp Có thể dùng cát tự nhiên hay cát nhân tạo có cácchỉ tiêu kỹ thuật phù hợp với quy phạm như khi dùng cho bê tông nhựa.

Cát tự nhiên để chế tạo vật liệu hỗn hợp asphalt không được lẫn tạp chất hữu cơ Cát xay phải được nghiền từ đá có cường độ nén không nhỏ hơn cường độ néncủa đá dùng để sản xuất ra đá dăm [2]

1.2.2.3 Bột khoáng

Bột khoáng là thành phần quan trọng trong vật liệu hỗn hợp asphalt Nó khôngnhững nhét đầy lỗ rỗng giữa các loại cốt liệu lớn hơn (cát, đá) làm tăng độ đặc của hỗnhợp mà còn làm tăng diện tích tiếp xúc, làm cho màng bitum trên mặt hạt khoáng càngmỏng và như vậy lực tương tác giữa chúng tăng lên, cường độ và độ bền nước của vậtliệu hỗn hợp asphalt cũng tăng lên Ngoài ra đối với vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong

đá hộc, nó còn làm cho hỗn hợp đạt được độ lưu động cần thiết, tránh được hiện tượngphân tầng để lấp đầy trong các lỗ rỗng của các viên đá hộc

Khi trộn với bitum trong hỗn hợp, bột khoáng cần tạo nên một lớp hoạt tính, ổnđịnh nước Mối quan hệ vật lý, hoá học giữa bề mặt hạt bột khoáng và bitum làmtăng cường độ của vật liệu hỗn hợp asphalt nhưng cũng làm tăng tính giòn của nó

Vì vậy, lượng bột khoáng trong hỗn hợp chỉ được dùng trong một giới hạn nhấtđịnh, để tránh làm tăng tốc độ hoá già của bitum trong hỗn hợp

Bột khoáng để chế tạo vật liệu hỗn hợp asphalt thường sử dụng các loại bột mịn

từ đá vôi và đá đôlômit có cường độ nén của đá gốc lớn hơn 20 MPa Vật liệu chếtạo bột khoáng cần sạch, không chứa các chất bẩn và sét quá 5% Bột khoáng cầnphải khô, xốp khi trộn với bitum, không được vón cục, có khả năng hút bitum tốt[2], [14], [16], [31]

Bitum là vật liệu có tính nhớt - đàn hồi và đặc tính của chúng biến động từ thuầnnhớt đến đàn hồi, phụ thuộc vào thời gian chịu tải và nhiệt độ Khi hỗn hợp bitum đãđược thi công đưa vào sử dụng ở những vùng khí hậu nóng, đặc tính của bitum có thểđược xem là nhớt, nhưng trong hầu hết các điều kiện làm việc bitum biểu hiện tính đànhồi - nhớt và đặc tính của chúng, có thể diễn tả bằng mô đun độ cứng.

Đặc điểm kỹ thuật của hỗn hợp asphalt chịu ảnh hưởng lớn của đặc tính lưubiến (hay cơ học) và một phần thành phấn hóa học của bitum Tuy nhiên, khi hỗnhợp đã được thi công thì yếu tố thành phần hóa học của bitum lại đặc biệt quantrọng, vì yếu tố này ảnh hưởng đến tốc độ oxy hóa của công trình, qua đó quyết địnhthời gian bitum bị bào mòn dài hay ngắn Có nhiều yếu tố tác động đến đặc tính củabitum bao gồm cả bản chất cốt liệu, thành phần hỗn hợp asphalt, tỷ lệ bitum tronghỗn hợp…Tất cả các yếu tố trên ảnh hưởng đến độ bền của công trình [17]

Hàm lượng bitum: Một hàm lượng bitum hợp lý vừa đủ bao bọc và liên kết cốtliệu khoáng chất cũng cho phép cải thiện chất lượng vật liệu hỗn hợp aspahlt Hàmlượng nhựa quá cao sẽ làm cho hỗn hợp kém ổn định nhiệt, khi nhiệt độ cao lượngnhựa thừa này có xu thế "nổi trồi" lên bề mặt, làm giảm độ liên kết giữa các viên đá,giảm khả năng chịu tải

Bitum dùng để chế tạo vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc là loại bitumđặc, gốc dầu mỏ thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật quy định tại TCVN 7493-2005

1.3 Tổng quan về kết quả nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc cho kết cấu bảo vệ mái đê biển

1.3.1 Trên thế giới

Hàng thế kỷ trước đây, vật liệu nhựa đường đã được sử dụng ở vùng Trung Âuvào việc làm kín nước Tại Hà Lan, sau cơn bão năm 1953 có rất nhiều đê phải sửa

chữa Bởi vì các vật liệu truyền thống được sử dụng theo thời gian đã trở thành khanhiếm, việc sử dụng nhựa đường vào xây dựng đê biển trở nên phát triển Vật liệunày thường dùng kết hợp với vật liệu khác để gia cường, chẳng hạn nhựa đường - đáxếp, nhựa đường - bê tông khối, bê tông asphalt , đã được ứng dụng trong xâydựng công trình thủy lợi, đê biển của nhiều nước tiên tiến như Na Uy, Hà Lan, Mỹ

và một số nước khác

Nhiều nước trên thế giới trong đó có Hà Lan, nghiên cứu thành công và sử dụngrất phổ biến vật liệu cát, đá và bitum để bảo vệ mái đê biển từ năm 1960 và vẫn bềnvững cho đến ngày nay So với các vật liệu gia cố mái đê biển thường dùng trướcđây là bê tông hoặc bê tông cốt thép thì vật liệu hỗn hợp nhựa đường, cát, đá cónhững tính năng ưu việt hơn, đó là: khả năng biến dạng, đàn hồi tốt, có thể thíchứng một cách mềm dẻo với những biến dạng của nền đê và thân đê, hạn chế đượcnhững lún sụt, xói lở cục bộ của đê biển, độ bền và tuổi thọ cao,…Hình ảnh thi côngthực tế đê biển ở Hà Lan, hình 1.3

Hình 1.3- Ứng dụng loại vật liệu hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc thi công đê

biển ở Hà Lan năm 2013 [10]

1.3.1.1 Quá trình nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt cho công trình đê biển

Có nhiều tài liệu nghiên cứu và tài liệu về việc sử dụng nhựa đường trong kỹ thuậtthủy lợi Một trong những cuốn sách đầu tiên về nhựa đường trong kỹ thuật thủy lợiđược thực hiện bởi Baron van Asbeck Cuốn sách này được xuất bản năm 1955 bởiShell International Nó bao gồm một loạt các đối tượng từ các bài kiểm tra trong phòngthí nghiệm đến các ứng dụng thực tế Năm 1961 nhóm nghiên cứu "gesloten

-13-dijkbekledingen” đã công bố một báo cáo có tên là “voorlopig rapport" (báo cáokhởi đầu) Nhóm nghiên cứu được tập hợp để điều tra những yếu tố quan trọng đểđảm bảo kín nước và độ bền của hỗn hợp asphalt Báo cáo này bao gồm: Tính toánthành phần của vật liệu, độ bền của vật liệu, thiết kế, xây dựng và kinh nghiệm sửdụng vật liệu [34]

Shell International xuất bản tập hai cuốn sách về nhựa đường trong kỹ thuậtthủy lợi vào năm 1964 Về cơ bản nó là một phần mở rộng của tập đầu tiên Trongphiên bản này nhiều ví dụ về ứng dụng thực tế được đề cập Cũng có thêm tính chấtvật lý của bitum và hỗn hợp bitum được xem xét

Năm 1984, Ban cố vấn kỹ thuật cho các công trình thủy lợi Hà Lan đã công bốhướng dẫn cho ứng dụng nhựa đường trong kỹ thuật thủy lợi, bởi vì đã có rất nhiềuphát triển mới từ năm 1961 Các nội dung sau đây được đề cập trong hướng dẫnnày: Tính chất vật liệu, vật liệu được sử dụng trong kỹ thuật thủy lợi, thiết kế vàtính toán, xây dựng, quản lý và bảo trì

Năm 1999, Công ty Shell xuất bản cuốn Cẩm nang kỹ thuật Thủy lợi Trongcuốn sách này tiếp tục phát triển trong lĩnh vực sản phẩm bitum áp dụng trong kỹthuật thủy lợi

Năm 2002, Ủy ban Cố vấn kỹ thuật Hà Lan xuất bản một báo cáo kỹ thuật,nhựa đường cho công trình ngăn nước Một chủ đề mới quan trọng được đề cậptrong báo cáo này là phần quản lý và bảo trì Bởi vì hầu hết các dự án sử dụng nhựađường làm vật liệu xây dựng đã hoàn thành

Cũng tại các nước khác, một số báo cáo đã được công bố Một số ví dụ trong sốnày là:

• Tiêu chuẩn Anh 3690 (1989), Phần 1

• DGGT EAAYf 83 (1983), Deutsche Gesselschaft fur Geotechnik, Auflage

1983, ấn bản lần 4, năm 1996 - Đề xuất cho việc thực hiện các công trình nhựa đườngtrong kỹ thuật thủy lợi

• Kerkhoven, R.E (1975) Những phát triển gần đây về kỹ thuật nhựa đường cho thủy lợi, các ứng dụng ở Hà Lan

Rất nhiều sách báo và các tài liệu khác được xuất bản, trong số các nghiên cứu

đó đã có nhiều nghiên cứu cụ thể trên các mô hình hoặc công trình ứng dụng thực

tế Tiêu biểu như “Nghiên cứu độ ổn định của mái kè đá bazan chèn vữa asphalt” ở

Hà Lan đã được tiến hành như sau [33]:

Một bài kiểm tra thực địa đã được thực hiện trên một tuyến đê gần Kruiningen,dọc theo Westerschelde ở Tây Nam Hà Lan để kiểm tra áp lực đẩy nổi của lớp kếtcấu bảo vệ mái, hình 1.4

Hình 1 4 - Mô hình thử nghiệm gia tăng áp lực đẩy nổi [33]

Trong bài kiểm tra này người ta đã tạo ra áp lực đẩy nổi lớn hơn trọng lượngcủa lớp mái kè và kết quả là mái kè bị đẩy lên Điều này đã dẫn đến xuất hiện mộtdòng chảy giữa lớp phủ và lớp lót (tầng lọc) xuống đến chân kè Tiếp tục gia tăng áplực lớn hơn, nhưng mái kè đã không tiếp tục bị đẩy lên bởi vì một sự cân bằng giữachiều cao đẩy nổi và áp lực đẩy nổi, nước sẽ thoát xuống chân kè Trong quá trìnhkiểm tra tĩnh, áp lực đẩy nổi tối đa cao hơn một chút so với trọng lượng của kè vàmức độ đẩy nổi tối đa xấp xỉ 16 mm Từ đó rút ra kết luận từ bài kiểm tra thực địanày rằng, áp lực đẩy nổi có thể lớn hơn trọng lượng riêng của kè, nhưng điều nàykhông có nghĩa là lớp kết cấu mái kè sẽ bị phá hỏng Nếu chân kè đảm bảo ngănngừa hiện tượng trượt của mái kè (thường là trường hợp ở Hà Lan), mái kè sẽ chỉđược đẩy lên khoảng 1 ÷ 2 cm Một lớp nước mỏng giữa lớp mái và lớp lót sẽ đượchình thành và thoát dọc theo mái xuống dưới chân kè

-15-Để định lượng tác dụng của lực sóng đến sự dịch chuyển của lớp phủ để biết độuốn (tính đàn hồi) của kè, một bài kiểm tra thực địa đã được thực hiện, hình 1.5

Hình 1 5 - Mô phỏng số của kè trong quá trình thử kéo (Frissen 2002)[33] Nội

dung này được thực hiện bởi một mô hình số của kè với phương pháp phần

tử hữu hạn DIANA (Frissen et al 1997) Mô hình số bao gồm các đặc tính phi tuyếntính, tuyến tính và tính toán sự biến dạng của lớp mái kè do một áp lực đẩy nối hoặclực kéo

Sự ổn định của lớp bảo vệ mái bằng vữa rót nhựa đường cũng được nghiên cứu ở

mô hình có quy mô lớn của Delft Hydraulics: Deltaflume (Smith và cộng sự 2000).Nhiều điểm tạo áp lực đã được lắp đặt trong kè để đạt được một cái nhìn sâu sắc,

rõ ràng trong áp lực gia tăng do sóng và do mức độ đẩy nổi mái kè Trong loạt kiểm tra,chiều cao sóng và chu kỳ sóng đã tăng dần, bắt đầu từ sóng Hs = 0,76 m và Tp = 3,4 s.Ngay cả ở độ cao sóng Hs = 1,56 m và Tp = 5,3 s vẫn không bị phá hoại

Từ kết quả kiểm tra thực địa và mô hình thí nghiệm trong phòng, đã dẫn đếnnhững kết luận sau đây:

• Bề mặt mái kè bằng hỗn hợp asphalt chèn trong đá bazan có thể chịu được cácđợt tác động của sóng lớn trong thời gian ngắn

• Trong trường hợp chân khay của kè thoát nước tốt, áp lực đẩy nổi tĩnh sẽ chỉđẩy nổi kè một vài cm, mà không gây ra thiệt hại nghiêm trọng Mái dốc kè bị đẩy nên cólớp nước mỏng giữa lớp phủ mái và lớp lọc, lớp nước chạy dọc theo mái và

thoát ra chân kè Điều này sẽ dẫn đến sự suy giảm áp lực

• Chân khay được đặt sâu dường như có khả năng chịu được các đợt sóng lớn, mặc dù cần tiếp tục điều tra các cơ chế phá hoại khác

1.3.1.2 Một số công trình đê biển đầu tiên ứng dụng vật liệu hỗn hợp

asphalt a- Đê chắn sóng cầu cảng Hook của Hà Lan

Lớp bảo vệ mái bằng hỗn hợp vật liệu đá asphalt được sử dụng phổ biến, pháttriển phương pháp sử dụng hỗn hợp asphalt thâm nhập vào khối đá thân đê, giảipháp này hạn chế các vết nứt bề mặt [30], xem hình 1.6.

(A) Lớp đệm

(B) Thân đê bằng vật liệu truyền thống

(C) Thân đê cát sỏi vữa nhựa

(D) Cát nhựa.

(E) 0,60 m đá 10-60 kg thâm nhập cát nhựa

(F) 1,20 m đá 600-1000 kg thâm nhập vữa asphalt.

Hình 1 6- Mặt cắt điển hình đê chắn sóng [30] b- Tuyến đê khu vực bến cảng phía bắc Harlingen

Từ những năm 1950 Trong trường hợp mặt cắt đê rộng, phần bên ngoài đê đượcxây dựng bằng việc đổ đá sau đó đổ cát hoặc đất vào không gian ở giữa Trong dự ánZuyder Zee Project (Đập Enclosing) hai kè này được đổ bằng đá hộc Vật liệu này cóthể tồn tại một thời gian mà sóng không phá hỏng, nhưng phải có biện pháp bảo vệ máichống lại sự phá hoại của sóng và dòng chảy tác dụng vào các khe rỗng của lớp đá phủ

bề mặt, do vật liệu này không có sự gắn kết có thể bị sóng phá hỏng gây thiệt hại chocông trình Vì lý do đó mà một nghiên cứu sử dụng vật liệu hỗn hợp của bitum và cátđược đề xuất Phương án đề xuất được đưa ra đầu tiên như hình 1.7 [21]

Hình 1 7- Mặt cắt đề xuất sử dụng vật liệu asphalt [21]

Phần chân khay và phần đá đổ hai bên được bảo vệ bằng asphalt cát (3-5% lượngbitum) Không gian giữa được đổ đầy cát Sau đó, lớp bảo vệ mái và đỉnh đê được sửdụng bằng hỗn hợp vữa asphalt cát, lớp chân khay và lớp bảo vệ mái bằng vật liệuasphalt cát là khá tốn kém Do đó mặt cắt đề xuất không tiết kiệm hơn phương án xây

-17-dựng truyền thống Vì vậy, một mặt cắt mới đã được áp dụng cho việc xây -17-dựngkhu vực Bến cảng phía bắc tại Harlingen, xem hình 1.8

Hình 1 8- Mặt cắt đê truyền thống và đê sử dụng vật liệu asphalt

[21] c- Công trình đê biển ở phía Tây Nam Hà Lan

Bazan luôn là loại đá phổ biến để sử dụng làm kè đá ở Hà Lan Hình dạng củakhối đá có thể xây dựng một mái kè khá trơn phẳng bề mặt Khối lượng riêng củaloại vật liệu này là rất lớn có thể lên đến 3000 kg/m3 Mặc dù có các đặc tính tốt,mái kè đã trở nên không ổn định tại một số tuyến đê Đặc biệt ở Tây Nam Hà Lan,chính vì nguyên nhân đó mà nó đã mở đường cho ứng dụng vữa asphalt rót lấp đầyvào các khe rỗng của lớp đá kè để cải thiện sự ổn định của nó Các khung đá bazanban đầu có khoảng 10% đến 15% độ rỗng Những lỗ rỗng này được đổ đầy vữaasphalt có đặt các lỗ thông hơi để tạo ra được khối đá kè vững chắc, hình 1.9 [33]

Hình 1 9- Đê biển phía Tây Nam Hà Lan sử dụng vữa asphalt chèn đá

bazan[33] 1.3.1.3 Những kết quả nghiên cứu ứng dụng của vật liệu hỗn hợp

asphalt

Theo số liệu của tổ chức EAPA, sản lượng sử dụng asphalt cho công trình thủylợi trên thế giới nói chung và công trình đê biển, bảo vệ bờ biển nói riêng, tính đếnnăm 2007 là 1600 triệu tấn, phân bố theo các khu vực như bảng 1.1.

Bảng 1.1- Sản lượng sử dụng asphalt cho các công trình đê biển trên thế giới[10]

nghiêng, xem hình 1.10

-19-Hình 1 10- Thiết bị rải san đầm vật liệu asphalt trên mái nghiêng [28]

- Vật liệu sử dụng: Đối với những kết cấu mái đê biển sử dụng vật liệu hỗn hợpasphalt chèn trong đá hộc, là một dạng hỗn hợp asphalt với hàm lượng bitum cao (vào

khoảng 14-20% so với tổng khối lượng hỗn hợp), ở nhiệt độ 120oC-170oC hỗn hợp

ở trạng thái nhớt lỏng khi thi công để có thể tự chèn lấp đầy vào các khe rỗng giữacác viên đá hộc Do vậy, quá trình vận chuyển vật liệu hỗn hợp từ trạm trộn đếncông trường đòi hỏi hỗn hợp không bị phân tầng và mất nhiệt Để đảm bảo các điềukiện đó đã có những thiết bị chuyên dụng được ra đời để đáp ứng được yêu cầu này.Với những công trường ở quá xa trạm trộn hoặc khối lượng thi công không lớn,

có thể sử dụng các thiết bị trạm trộn di động công suất nhỏ để thi công, hình 1.11

Hình 1 11- Thiết bị vận chuyển và trạm trộn di động chuyên dụng [10]

Như vậy có thể thấy vật liệu hỗn hợp asphalt đã được nghiên cứu sử dụng chocông trình đê biển từ những năm 1950 Có nhiều những nghiên cứu tính toán kiểmtra trên mô hình và cả trên công trình thực tế khẳng định tính bền vững của loại vậtliệu này Thực tế cũng cho thấy các công trình đê biển được xây dựng từ những năm

1950 vẫn bền vững cho đến ngày nay

Qua quá trình nghiên cứu ứng dụng ban đầu như việc sử dụng hỗn hợp vữaasphalt thâm nhập vào khối đá thân đê, vật liệu hỗn hợp bitum và cát phủ bề mặtthân đê, rồi tiếp đến là sử dụng vữa asphalt rót lấp đầy vào khe rỗng khối đá bazanthân đê… Cho đến nay, việc sử dụng vật liệu hỗn hợp asphalt đã rất hoàn thiện từthiết kế đến thi công xây dựng, quản lý sử dụng…có rất nhiều trang thiết bị máymóc chuyên dụng và hiện đại được đưa vào sử dụng Đây cũng chính là cơ sở và lợithế nhất định để khẳng định việc nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalttrong xây dựng đê biển ở Việt Nam.

1.3.2 Ở Việt Nam

Ở nước ta, vật liệu hỗn hợp asphalt mới chủ yếu sử dụng dưới dạng bê tôngasphalt để làm đường giao thông, bảo vệ mái đê kết hợp giao thông, trong lĩnh vực giaothông, công nghệ bê tông asphalt của chúng ta đã đạt trình độ của các nước tiên tiến trên thếgiới, năng lực thiết bị, nhân lực của các nhà thầu đáp ứng yêu cầu thi công cơ giới cao Cáccông trình xây dựng và đặc biệt trong xây dựng các công trình thủy lợi thì hầu như loại vậtliệu asphalt chưa được sử dụng mà mới chỉ dừng lại ở bước nghiên cứu Viện khoa học thủylợi Việt Nam là đơn vị đã và đang bước đầu nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu này trong xâydựng các công trình thủy lợi thông

qua đề tài nghiên cứu khoa học cấp nhà nước “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗnhợp để gia cố đê biển chịu được nước tràn qua do sóng, triều cường, bão và nướcbiển dâng’’ mã số: ĐTĐL.2012-T/06, với mục đích hoàn thiện các công đoạn từthiết kế thành phần cấp phối vật liệu, nghiên cứu quy định yêu cầu kỹ thuật đối vớicác chỉ tiêu cơ lý của vật liệu hỗn hợp asphalt, quy trình công nghệ tính toán thiết

kế, thi công, quản lý vận hành, bảo dưỡng đến việc đánh giá tác động đến môitrường phù hợp với điều kiện tự nhiên, trình độ công nghệ của Việt Nam

- Những kết quả đạt được của đề tài ĐTĐL.2012-T/06 [10]:

Trên cơ sở nghiên cứu phân tích lý thuyết kết hợp với nghiên cứu thực nghiệm,

đề tài đã tập trung vào nghiên cứu các thuộc tính cơ lý cơ bản của 3 loại vật liệu hỗnhợp asphalt gồm: bê tông asphalt, vật liệu hỗn hợp asphalt nhiều đá, vật liệu hỗnhợp asphalt chèn trong đá hộc Đã xây dựng được quy trình sản xuất vật liệu hỗnhợp asphalt bảo vệ đê biển đối với 3 dạng vật liệu hỗn hợp trên

- Những vấn đề cần được tiếp tục nghiên cứu.

Đã có rất nhiều nội dung được đề tài thực hiện, tuy nhiên vì mới là đề tài đầutiên nghiên cứu về loại vật liệu mới này do vậy vẫn còn rất nhiều các vấn đề cầnđược tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện, trong đó có hai nội dung chính mà tác giảmuốn tiếp tục đi sâu vào nghiên cứu hoàn thiện trong khuôn khổ luận án của mình

mà đề tài chưa đề cấp tới:

+ Tính toán chiều sâu thâm nhập và độ nhớt của hỗn hợp asphalt theo các tàiliệu trên thế giới và ở Việt Nam đang sử dụng đều lấy theo kết quả thí nghiệm bằng việcthử nghiệm nhiều lần và theo kinh nghiệm Để có được kết quả chính xác phù hợp vớinguồn vật liệu sử dụng, điều kiện nhiệt độ và khí hậu của Việt Nam, tác giả sẽ xây dựngcông thức thực nghiệm quan hệ giữa chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp

asphalt với kích thước đá hộc và độ nhớt của hỗn hợp asphalt Nhờ đó xác định được độ nhớt của hỗn hợp asphalt phục vụ tính toán cấp phối

+ Tính toán thiết kế kết cấu bảo vệ mái đê biển bằng vật liệu hỗn hợp asphaltchèn trong đá hộc, theo [31] chiều dày của lớp gia cố được tính bằng phương pháp trabiểu đồ lập sẵn hoặc công thức giải tích Ở Việt Nam [10] đã sử dụng phương pháp trabiểu đồ lập sẵn, việc ứng dụng kết quả này vào tính toán rất thuận lợi, tuy nhiên kết quả

có độ chính xác không cao Để hoàn thiện tiếp phương pháp tính toán này, tác giả sẽnghiên cứu phương pháp tính toán, thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi của kết cấu bảo

vệ mái đê biển phù hợp với điều kiện làm việc của Việt Nam làm

cơ sở cho việc tính toán chiều dày lớp kết cấu bảo vệ mái đê biển theo công thứcgiải tích (1.8).

1.4 Các nghiên cứu về chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt và mô đun đàn hồi của kết cấu mái đê biển

1.4.1 Chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc

Hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc bao gồm các thành phần như: cốt liệu chính(cát, đá), bột đá, phụ gia (nếu có), chất kết dính (bi tum) Loại hỗn hợp này sử dụnghàm lượng bitum cao (khoảng 14-20% so với tổng khối lượng hỗn hợp), ở nhiệt độ

1200C ÷ 1700C, trạng thái nhớt lỏng khi thi công có thể tự chèn đầy vào khe rỗng giữacác viên đá hộc (không cần đầm) Do vậy, chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphaltvào khe rỗng của các viên đá hộc là một yếu tố quan trọng quyết định đến độ đặc chắc,khả năng chịu tải của lớp kết cấu bảo vệ mái đê biển Việc hỗn hợp asphalt có thâmnhập được vào khe rỗng các viên đá hộc hay không, thâm nhập được sâu hay nông, lấpđầy các khe rỗng hay không nó phụ thuộc vào các yếu tố ảnh hưởng như độ nhớt củahỗn hợp asphalt, kích thước viên đá hộc, độ nhám của viên đá, độ nghiêng của máiđê…Hiện nay, việc xác định chiều sâu thâm nhập theo các tài liệu trong và ngoài nướcđều chưa có, mà chỉ được xác định thông qua viêc thử nghiệm thực tế

Độ nhớt không chỉ là một trong những yếu tố quan trọng quyết định đến chiềusâu thâm nhập, mà trong quá trình thiết kế cấp phối hỗn hợp asphalt, việc xác định

độ nhớt yêu cầu cho các trường hợp cụ thể là rất quan trọng, nó quyết định thànhphần cấp phối vật liệu hỗn hợp asphalt, đặc biệt là hàm lượng nhựa và nhiệt độ củahỗn hợp asphalt trong quá trình thi công để đảm bảo khả năng thâm nhập và lấp đầykhe rỗng đá hộc

Thực tế hiện nay, độ nhớt yêu cầu của hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc theocác tài liệu ở Việt Nam và trên thế giới [10], [31] mới chỉ được xác định dựa theokinh nghiệm và thí nghiệm thử dần, với giá trị trong khoảng 30 ÷ 80 Pa.s Theo [10]việc xác định độ nhớt yêu cầu thông qua kinh nghiệm và thí nghiệm thử dần Bướcđầu tiên chọn một độ nhớt ban đầu theo kinh nghiệm, tính toán thành phần cấp phốitheo độ nhớt ban đầu sau đó xây dựng giá thí nghiệm, mô phỏng mái đê thực tế, xếp

đá hộc, rót hỗn hợp asphalt vào mô hình thí nghiệm Sau đó kiểm tra chiều sâu thâm

-23-nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc xem có đảm bảo yêu cầu không

Quá trình thí nghiệm sẽ được thử dần với các giá trị độ nhớt khác nhau để tìm

ra được độ nhớt yêu cầu Qua đó có thể thấy được việc dựa vào kinh nghiệm thực tế

và thí nghiệm kiểm tra trên mô hình mô phỏng thực tế là vô cùng tốn kém và mất

thời gian, nhất là khi phải tiến hành thí nghiệm thử dần nhiều lần

Trong [10] cũng đã đề cập và nghiên cứu về tương quan giữa độ nhớt và các

yếu tố ảnh hưởng Đã sử dụng phương pháp thực nghiệm thí nghiệm trong phòng,

tiến hành thí nghiệm trên 24 cấp phối vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc với các

hàm lượng bitum biến thiên từ 12÷15%; hàm lượng bột đá biến thiên từ 8÷ 21%;

hàm lượng cát biến thiên từ 50÷ 60%; hàm lượng đá dăm biến thiên từ 14÷ 20%

Thí nghiệm độ nhớt được thực hiện theo phương pháp Kerkhoven (hình 1.12) với

mỗi cấp phối ở 3 điểm nhiệt độ là 120oC; 140oC; 160oC Cứ 1 lít hỗn hợp asphalt

chảy ra hết được đo một lần, đơn vị đo thời gian là s

Hình 1 12- Thiết bị đo độ nhớt Kerkhoven[31]

Độ nhớt có thể được tính toán như sau:

trong đó:- độ nhớt hỗn hợp (Pa.s);

- khối lượng riêng hỗn hợp (kg/m3);

g - gia tốc trọng trường (m/s2);

t - thời gian 1 lít hỗn hợp chảy hết ra khỏi thiết bị đo Kerkhoven (s).

Kết quả thí nghiệm được trình bày trong bảng 1.3

Bảng 1 3- Kết quả thí nghiệm độ nhớt của hỗn hợp asphalt [10]

TT

-21 CP 4.3 15 15 56 14 40,8 -

Thông qua kết quả nghiên cứu, có thể thấy được mức độ ảnh hưởng của các yếu

tố đến độ nhớt của hỗn hợp asphalt chèn trong đá hộc

- Nhiệt độ: Từ kết quả nghiên cứu ở bảng 1.3 Với CP 1.1 giá trị độ nhớt tương ứng

với nhiệt độ thí nghiệm ToC = 120oC - 140oC - 160oC lần lượt là η = 74,1 - 62,0 - 44,4Pa.s; Kết quả thí nghiệm CP 2.6 giá trị độ nhớt tương ứng với nhiệt độ thí nghiệm

ToC = 120oC - 140oC - 160oC lần lượt là η = 57,0 - 41,4 - 29,4 Pa.s; Kết quả thí

nghiệm CP 4.5 giá trị độ nhớt tương ứng với nhiệt độ thí nghiệm ToC = 120oC - 140oC

- 160oC lần lượt là η = 39,0 - 16,3 - 14,5 Pa.s Như vậy, nhiệt độ của hỗn hợp có ảnh hưởng trực tiếp đến độ nhớt, nhiệt độ của hỗn hợp càng cao thì độ nhớt càng giảm

nhau CP 1.1 ÷ CP 1.5 với cùng một hàm lượng nhựa 12%, hàm lượng bột đá tăng

từ 8 ÷ 16 % thì độ nhớt tương ứng ở nhiệt độ thí nghiệm ToC = 120oC giảm từ 74,1 ÷63,9 Pa.s; ở nhiệt độ thí nghiệm ToC = 140oC giảm từ 62,0 ÷ 54,6 Pa.s; ở nhiệt độ thínghiệm ToC = 160oC giảm từ 44,4 ÷ 36,1 Pa.s Tuy nhiên khi tăng hàm lượng bột đálên 18% thì độ nhớt lại tăng lên không giảm đi nữa Giá trị độ nhớt của CP 1.6 với hàmlượng bột đá tăng đến 18% thì giá trị độ nhớt tương ứng với nhiệt độ thí nghiệm

ToC = 120oC - 140oC - 160oC lần lượt là η = 66,7 - 56,5 - 37,0 Pa.s Như vậy, cácgiá trị độ nhớt này lại có xu hướng tăng so với giá trị độ nhớt của CP 1.5 với hàmlượng bột đá 16%

Cũng theo quy luật tương tự, đối với kết quả thí nghiệm CP 2.1 ÷ CP 2.6; CP 3.1

÷ CP 3.6 và CP 4.1 ÷ CP 4.6 Với cùng một hàm lượng bitum như nhau, tăng hàmlượng chất độn mịn có tác dụng làm giảm độ nhớt của vật liệu hỗn hợp, tức là hỗn hợp cónhiều bột khoáng hơn sẽ dễ chảy hơn, tuy nhiên đến một giá trị nhất định nó sẽ có tácdụng ngược lại, tăng hàm lượng chất độn mịn dẫn đến độ nhớt cũng tăng

theo

- Cốt liệu: Theo kết quả thí nghiệm bảng 1.3 Với cùng một hàm lượng nhựa như

nhau CP 1.1 ÷ CP 1.6 hàm lượng cốt liệu (cát) giảm từ 60 ÷ 50% giá trị độ nhớt tươngứng với nhiệt độ thí nghiệm ToC = 120oC giảm từ 74,1 ÷ 63,9 Pa.s; ToC = 140oC giảm

từ 62,0 ÷ 54,6 Pa.s; ở nhiệt độ thí nghiệm ToC = 160oC giảm từ 44,4 ÷ 36,1 Pa.s.Tương tự với CP 1.1÷ CP 1.6 so với CP 4.1÷ CP 4.6 hàm lượng cốt liệu (đá dăm) giảm

từ 20 ÷ 14% thí giá trị độ nhớt cũng giảm tương ứng với ToC = 120oC giảm từ 74.1 ÷42.6 Pa.s; ToC = 140oC giảm từ 62,0 ÷ 17,2 Pa.s; ở nhiệt độ thí nghiệm ToC =

-26-160oC giảm từ 44,4 ÷ 14,5 Pa.s Hàm lượng sử dụng cốt liệu trong hỗn hợp giảm tương ứng giá trị độ nhớt hỗn hợp cũng giảm

- Bitum: Theo kết quả thí nghiệm bảng 1.3 CP 1.1 ÷ CP 4.6 sử dụng hàm lượng bi

tum tăng dần từ 12 ÷ 15% giá trị độ nhớt tương ứng với nhiệt độ thí nghiệm ToC =

120oC giảm từ 74,1 ÷ 42,6 Pa.s; ở nhiệt độ thí nghiệm ToC = 140oC giảm từ 62,0 ÷17,2 Pa.s; ở nhiệt độ thí nghiệm ToC = 160oC giảm từ 44,4 ÷ 14,5 Pa.s Với việc sửdụng hàm lượng bi tum trong hỗn hợp càng cao giá trị độ nhớt hỗn hợp càng giảm.Thông qua kết quả nghiên cứu thí nghiệm [10] đã phân tích được các yếu tố như:nhiệt độ, bột khoáng, cốt liệu, bitum sử dụng trong hỗn hợp ảnh hưởng như thế nàođến độ nhớt của hỗn hợp Từ những quy luật ảnh hưởng của các yếu tố như kết quảnghiên cứu [10] và phân tích ở trên có thể điều chỉnh nhiệt độ, tỷ lệ sử dụng bộtkhoáng, cốt liệu và bitum để có được độ nhớt hỗn hợp asphalt như mong muốn.Theo [31], hỗn hợp asphalt chèn vào khe rỗng các viên đá hộc có thể là hỗn hợpcủa bitum + bột khoáng + cát, cũng có thể thêm sỏi hoặc đá dăm độn thêm vào hỗnhợp asphalt Việc sử dụng sỏi hoặc đá dăm phụ thuộc vào kích thước đá hộc sửdụng Sỏi hoặc đá dăm có tác dụng giảm khối lượng vữa, ngăn ngừa vữa chảy sệxuống chân mái, đôi khi hạn chế chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt

Thiết kế thành phần cấp phối hỗn hợp asphalt đòi hỏi kinh nghiệm có đượcthông qua thực tế, độ nhớt hỗn hợp thấp trong khoảng 30 ÷ 80 Pa.s, sao cho hỗn hợpasphalt không bị chảy xuống chân mái Độ nhớt của hỗn hợp asphalt tăng cao sauthi công, do ảnh hưởng của của nhiệt độ môi trường xung quanh

Như vậy vấn đề nghiên cứu về chiều sâu thâm nhập của hỗn hợp asphalt vào kherỗng đá hộc theo các tài liệu trong và ngoài nước còn rất hạn chế, các khuyến cáo đưa

ra đều dựa trên kinh nghiệm thực tế Chiều sâu thâm nhập phụ thuộc rất nhiều vào độnhớt của hỗn hợp asphalt Các nghiên cứu [10], [31] đã phân tích rất rõ các yếu tố ảnhhưởng đến độ nhớt của hỗn hợp asphalt do vậy việc thiết kế ra cấp phối hỗn hợpasphalt đạt được một giá trị độ nhớt mong muốn là có thể làm được Tuy nhiên, việcxác định độ nhớt yêu cầu để sao cho hỗn hợp asphalt sau khi rót vào khe rỗng đá hộcđạt được chiều sâu thâm nhập thiết kế thì chưa được nghiên cứu một cách cụ thể Vìvậy, vấn đề đặt ra ở đây là cần có một nghiên cứu về chiều sâu thâm nhập của hỗn