Nghiên cứu cơ sở khoa học đề xuất kết cấu mặt đê đảm bảo chống lũ và kết hợp giao thông (tt)

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦY LỢI ĐẶNG CÔNG HƯỞNG NGHIÊN CỨU CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỀ XUẤT KẾT CẤU MẶT ĐÊ ĐẢM BẢO CHỐNG LŨ VÀ KẾT HỢP GIAO THÔNG Chun ngành : Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số : 62580202 TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2017 Cơng trình hồn thành Trường Đại học Thủy lợi Người hướng dẫn khoa học 1: PGS.TS Nguyễn Hữu Huế Người hướng dẫn khoa học 2: GS.TS Lê Kim Truyền Phản biện 1: PGS.TSKH Bạch Đình Thiên Phản biện 2: GS.TS Nguyễn Chiến Phản biện 3: PGS.TS Nguyễn Thanh Bằng Luận án bảo vệ trước Hội đồng chấm luận án họp , Trường Đại học Thủy lợi lúc giờ, ngày tháng năm 2018 Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc gia - Thư viện Trường Đại học Thủy lợi MỞ ĐẦU Tính cấp thiết đề tài Hệ thống đê sơng Việt Nam có lịch sử hình thành phát triển lâu đời qua thời kỳ, đặc điểm tuyến đê sông là: thân đê đắp nhiều loại đất khác nhau, không đảm bảo tính đồng nhất; đê khơng xử lý theo quy định trước đắp Ngày nay, trước nhu cầu phát triển kinh tế, xã hội có nhiều tuyến đê sông quy hoạch sử dụng làm đường giao thông, xu tất yếu Trước thực tế đó, cần có nghiên cứu tìm giải pháp tăng cường khả chịu lực thân đê hữu nhằm vừa đảm bảo an toàn chống lũ đồng thời đáp ứng yêu cầu kỹ thuật tuyến đường giao thông thực cần thiết Mặt khác, tro bay phế thải ngành điện sử dụng nhiều lĩnh vực sản xuất vật liệu khác Trước đây, có nghiên cứu sử dụng tro bay để sản xuất vật liệu xây dựng, chủ yếu xi măng góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường, đem lại hiệu kinh tế định Ở Việt Nam giới chưa có nghiên cứu cụ thể việc sử dụng lại lớp đất thân đê yếu để xử lý đảm bảo yêu cầu kỹ thuật lớp thượng kết hợp giao thông Trong đề tài này, tác giả tập trung nghiên cứu giải pháp tăng cường độ ổn định đất thân đê đóng vai trò lớp thượng phạm vi chịu tác dụng tải trọng giao thông đỉnh đê nghiên cứu giải pháp gia cố lớp móng kết cấu áo mặt đường đê kết hợp giao thông Từ đề xuất kết cấu mặt đường đê thích hợp đảm bảo chống lũ kết hợp giao thông Mục đích nghiên cứu - Xây dựng sở khoa học để lựa chọn kết cấu mặt đê đảm bảo chống lũ kết hợp giao thông; - Xây dựng sở khoa học để gia cố đất thân đê trạng, cấp phối đá dăm với chất kết dính để tăng cường độ độ ổn định Đối tượng phạm vi nghiên cứu 3.1 Đối tượng nghiên cứu - Các tuyến đê sông, trọng tâm tuyến đê sơng có kết hợp giao thơng tỉnh Bắc Ninh; - Chất thải công nghiệp cụ thể tro bay nhà máy nhiệt điện 3.2 Phạm vi nghiên cứu - Lớp đất thân đê kết hợp giao thơng (chiều sâu 0,9÷1,3m) từ mặt đê trở xuống; - Áp dụng cho hệ thống đê sông tỉnh Bắc Ninh thử nghiệm cho đê hữu Đuống Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận - Tiếp cận từ thực tế đầu tư xây dựng, cải tạo, nâng cấp tuyến đê sông; - Tiếp cận lý thuyết, thực nghiệm nâng cao khả chịu lực vật liệu đất cấp phối đá dăm 4.2 Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích tổng hợp lý thuyết; - Phương pháp khảo sát, điều tra; - Phương pháp sử dụng lý thuyết toán học thống kê xác xuất; - Phương pháp thực nghiệm phòng trường Ý nghĩa khoa học thực tiễn Luận án - Ý nghĩa khoa học: Luận án đóng góp sở khoa học để xây dựng kết cấu mặt đê bảo đảm yêu cầu kết hợp giao thông, bổ sung phát triển khoa học lĩnh vực xây dựng hạ tầng - Ý nghĩa thực tiễn: Đề tài đề xuất kết cấu mặt đê vừa đảm bảo chống lũ, vừa đáp ứng tiêu chuẩn đường giao thông cấp III Cấu trúc luận án Ngoài phần mở đầu kết luận, luận án gồm có chương: Chương 1: Tổng quan hệ thống đê sông kết hợp giao thông Chương 2: Cơ sở khoa học để cải thiện đất thân đê đảm bảo yêu cầu chống lũ kết hợp giao thông Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định giải pháp gia cố đê kết hợp làm đường giao thông Chương 4: Ứng dụng kết nghiên cứu cho đê hữu Đuống, tỉnh Bắc Ninh CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÊ SÔNG KẾT HỢP GIAO THƠNG 1.1 Lịch sử hình thành phát triển hệ thống đê sông Trên giới, tuyến đê hình thành từ xa xưa Mục đích tuyến đê nhân tạo tạo nên phòng tuyến ngăn chặn lũ lụt bảo vệ vùng dân cư đồng ruộng trũng Tại Hà Lan, đa số lãnh thổ đất nước thấp mực nước biển, đê xây dựng sớm vào khoảng kỷ 11 ngày mở rộng Ở Mỹ, hệ thống đê tiếng xây dựng dọc theo sông Mississippi Sacramento Ở Nhật Bản, dự án siêu đê xây dựng từ năm 1987 dọc theo sông lớn Kyoto Osaka Tonegawa, Edogawa, Arakawa, Tamagawa, Yodogawa Yamatogawa Trong buổi đầu sơ khai tổ tiên ta, người Việt cổ bắt đầu nghĩ đến việc đắp bờ khoanh vùng giữ nước chống ngập mùa lũ Dần dần, bờ vùng mở rộng đắp cao thêm, từ đê hình thành Theo thời gian với kinh nghiệm chống lũ tích lũy q trình sản xuất, tuyến đê ngày tôn cao, mở rộng, nối dài thêm Hiện tại, tổng số chiều dài hệ thống đê sông vùng đồng sông Hồng 3.000km, gồm 2.417km đê thuộc Bắc Bộ, 420km sông vùng Thanh - Nghệ Hệ thống sông Hồng có 1.667km đê 750km đê thuộc hệ thống sơng Thái Bình 1.2 Hệ thống đê sơng tỉnh Bắc Ninh 1.2.1 Quy định tiêu chuẩn phòng lũ tuyến đê sông tỉnh Bắc Ninh Tiêu chuẩn phòng lũ cho tuyến đê thuộc tỉnh Bắc Ninh quy định Quyết định số 257/QĐ-TTg ngày 18/02/2016 Thủ tướng phủ việc Phê duyệt Quy hoạch phòng chống lũ quy hoạch đê điều hệ thống sơng Hồng, sơng Thái Bình Theo đó, tần suất đảm bảo chống lũ thiết kế cho tuyến đê sơng Đuống sơng Thái Bình thuộc địa bàn Bắc Ninh (nằm ngồi khu vực thị trung tâm Hà Nội) P = 0,33% tương ứng với chu kỳ 300 năm Các tuyến đê khác đê sông Cầu sơng Cà Lồ có tần suất bảo đảm chống lũ thiết kế P = 2%, tương ứng chu kỳ 50 năm 1.2.2 Quy hoạch hệ thống đê sông kết hợp làm đường giao thông tỉnh Bắc Ninh Một số tuyến đê địa bàn tỉnh Bắc Ninh quy hoạch (một phần toàn chiều dài) làm đường giao thông thực tế gánh vác nhiệm vụ giao thông nhiều năm qua tuyến đê: hữu sơng Đuống, tả sơng Đuống, hữu sơng Thái Bình, hữu sông Cầu,… Cụ thể, tuyến đường liên tỉnh ĐT276; ĐT283; ĐT291; ĐT280 thuộc tuyến đê tả hữu sông Đuống quy hoạch giao thông tương ứng với quy mô đường cấp IV đồng 1.3 Các nghiên cứu nước nước đê kết hợp giao thông 1.3.1 Nghiên cứu nước Tác giả Phan Khánh số giai đoạn kể đến giai đoạn gắn với triều đại phong kiến, giai đoạn chiến tranh giai đoạn sau đổi Ngày 25/06/1962, Phủ Thủ tướng Nước Việt Nam Dân Chủ Cộng Hòa ban hành Thông tư số 68-TTg việc Phối hợp công tác hai ngành giao thông thủy lợi Nghiên cứu đê đa mục tiêu tiến hành V.M.Bezruk A.X.Elenovits, việc nghiên cứu khai thác tổng thể dòng sơng Hồng qua địa phận Hà Nội với mục đích phát triển bền vững, khai thác tối đa quỹ đất ven sông u cầu an tồn cơng trình đê đề cập Nghiên cứu đặc điểm địa chất cơng trình đê sơng Hồng tác giả Trần Văn Tư 1.3.2 Nghiên cứu nước Việc nghiên cứu đê để sử dụng cho mục đích làm đường giao thơng khơng đề cập riêng rẽ nhiều nghiên cứu Trong hướng dẫn thiết kế đê sơng Bộ Giao thơng, Cơng Thủy lợi Hà Lan phát hành năm 1991 có ghi rõ “việc tính đến phương tiện di chuyển đỉnh đê cần thiết kể tình nước tràn đỉnh đê” Đê sử dụng nhiều mục đích khác có từ hàng trăm năm theo lịch sử phát triển hệ thống cơng trình phòng lũ xã hội loài người Về chủ đề tập hợp cách hệ thống nước phát triển Mỹ, Hà Lan, Đức, Nhật nước phát triển Trung Quốc, Việt Nam Đây khoa học giao thoa lĩnh vực thủy lợi giao thơng đòi hỏi phải nghiên cứu thận trọng, hệ thống có tính kế thừa 1.4 Sử dụng chất kết dính để gia cố đất giới Việt Nam 1.4.1 Nghiên cứu, sử dụng xi măng gia cố đất giới Khối lượng xi măng hỗn hợp gồm đất xi măng tính theo tỷ lệ phần trăm khối lượng đất khơ Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu giới tỷ lệ xi măng hợp lý gia cố đất, điển hình nghiên cứu tác giả sau: Lan Wang; Shiells cộng (2003); Mitchell Freitag (1959); Viện kĩ thuật Châu Á, Law (1989); Hisaa Aboshi Nashahiko Kuwabara; DOH and JICA (1998); 1.4.2 Nghiên cứu, sử dụng xi măng gia cố đất Việt Nam Ở Việt Nam, việc sử dụng XM vôi để gia cố đất xuất từ năm đầu thập niên 80 với công nghệ cọc đất vôi - xi măng Thụy Điển Giải pháp áp dụng phổ biến cơng trình xây dựng dân dụng thủy lợi để xử lý đất yếu, chống thấm, chống nứt, Những năm gần đây, công nghệ cọc XM đất Nhật Bản du nhập vào Việt Nam phát huy hiệu việc xử lý đất yếu áp dụng rộng rãi cơng trình giao thơng, thủy lợi, Đến có số đề tài nghiên cứu trường đại học, viện khoa học như: Thủy lợi, Xây dựng, Kiến trúc, Giao thơng,… Điển hình nghiên cứu tác giả sau đây: Nguyễn Quốc Đạt; Nguyễn Việt Hùng; Thái Hồng Sơn nnk; Mai Anh Phương nnk; Việc sử dụng giải pháp gia cố đất XM làm tăng nhanh trình cố kết, làm thay đổi tính chất học, vật lý cải thiện cường độ đất gia cố 1.5 Những vấn đề đặt cho nghiên cứu đê kết hợp giao thơng Đê kết hợp với giao thơng ảnh hưởng đến ổn định đê, đê không bị nứt ngang, nứt dọc, trượt mái? Để giải nội dung cần phải tính tốn sức chịu tải đê cho mặt cắt ngang đại diện tuyến giao thơng Trong q trình làm việc đê qua mùa khô, mùa lũ, tuyến đê qua vùng địa hình, địa chất khác nên cần nghiên cứu nào, đoạn không cần gia cố đoạn cần gia cố Biện pháp gia cố để đảm bảo kỹ thuật, kinh tế, phù hợp với điều kiện địa phương? Sau nghiên cứu xác định giải pháp kỹ thuật, cần nghiên cứu ứng dụng đoạn đê cụ thể để chứng tỏ giải pháp có khả thi thiết kế mẫu cho việc áp dụng sau vào thực tế 1.6 Kết luận chương Hệ thống đê sơng hình thành qua thời kỳ khác nhau, đất đắp đê không đồng tôn tạo nhiều giai đoạn với yêu cầu phòng, chống lũ Do đó, có phương tiện giao thơng lại đê cứng hóa bề mặt dẫn đến mặt đê thân đê bị nứt gãy, lún Đê kết hợp giao thông yêu cầu tất yếu giai đoạn nhằm tạo kết nối mạng lưới giao thơng hồn chỉnh để thúc đẩy phát triển kinh tế - xã hội phục vụ nhân dân ngày tốt hơn; Đã có nhiều nghiên cứu giải pháp kỹ thuật để tăng cường khả chịu lực, độ ổn định đê sông việc nghiên cứu giải pháp sử dụng đất chỗ chất kết dính tro bay xi măng chưa đề cập chưa có nghiên cứu cụ thể Do vậy, tác giả chọn vấn đề mục tiêu nghiên cứu trình bày chương CHƯƠNG CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỂ CẢI THIỆN ĐẤT THÂN ĐÊ ĐẢM BẢO YÊU CẦU CHỐNG LŨ VÀ KẾT HỢP GIAO THÔNG 2.1 Các giải pháp gia cố đất Gia cố đất nhằm: tăng sức chịu tải đất; cải thiện số tính chất lý đất yếu (như: giảm hệ số rỗng, giảm tính nén lún, tăng độ chặt, tăng trị số modul biến dạng, tăng cường độ chống cắt đất, ) Các giải pháp gia cố giải pháp thay nền; giải pháp học; giải pháp hóa học; phương pháp vật lý; giải pháp thủy lực học; 2.2 Cơ sở khoa học lựa chọn cấp phối vật liệu gia cố đất thân đê 2.2.1 Lý thuyết đường cong cấp phối Một số lý thuyết sở thành phần hạt đưa như: Lý thuyết FullerThomson, Caquot Faury, Papovic-Anderson, B.B Okhotina N.N Ivanov, Talbot, Weymouth hỗn hợp cốt liệu hạt rời rạc Đường cong cấp phối Fuller cho độ đặc tối ưu nhiều cỡ hạt dễ chèn lấp lẫn thường dẫn tới khả khó thi cơng làm chặt cho hỗn hợp hạt đó, nhiên hiệu ứng “bi lăn” tro bay nên giảm bớt cản trở lực ma sát hạt Đường cong cấp phối Fuller dạng parabol hay phần parabol tỷ lệ tự nhiên 2.2.2 Phương pháp lấy mẫu đánh giá chất lượng mẫu gia cố Trong nghiên cứu Luận án xác định theo phương pháp số lượng mẫu thông qua sai số tương đối Mối quan hệ độ tin cậy  số lượng phép đo n, chưa biết sai lệch bình phương trung bình lý thuyết σ Để đảm bảo xác suất đảm bảo  = 0,97 số lượng mẫu cho tiêu nghiên cứu chọn lần đo 2.2.3 Nghiên cứu sử dụng xi măng kết hợp tro bay để gia cố đất Trong thập niên qua, tro bay ứng dụng vào thực tiễn ngành xây dựng cách rộng rãi có cơng trình lớn giới sử dụng sản phẩm phụ gia khơng thể thiếu Các cơng trình tiêu biểu sử dụng tro bay làm phụ gia là: đập Tomisato cao 111m Nhật Bản xây dựng từ năm 1950 sử dụng 60% tro bay thay xi măng; Trung Quốc đưa tro bay vào công trình xây dựng đập thủy điện từ năm 1980; cơng trình Azure hồn thành năm 2005 sử dụng 35% tro bay thay xi măng; đập thủy điện Sơn La, đập thủy điện Định Bình,… Việt Nam cơng trình lớn sử dụng tro bay mang lại hiệu cao Đối với đất thân đê trạng đa phần đất sét, chí đất sét việc có thêm hạt mịn tro bay làm giảm đáng kể lỗ rỗng đất Ngoài ra, tro bay hạt có dạng hình cầu tạo hiệu ứng ổ bi lăn (Ball Bearing Effect) hỗn hợp đất làm cho công đầm giảm tăng độ chặt cho đất đắp Kết nghiên cứu nhiều năm không nên xem đất gia cố chất liên kết khác hạt cốt liệu trơ môi trường bị động 2.3 Kết luận chương Với mục tiêu nghiên cứu đề ra, tác giả phân tích lựa chọn giải pháp phương pháp nghiên cứu lý thuyết xây dựng thành phần cấp phối hạt, tương tác thành phần hạt đất, tro bay xi măng gồm: - Lựa chọn giải pháp (đất trạng + tro bay) + xi măng để gia cố đất thân đê trạng đảm bảo yêu cầu chống lũ kết hợp giao thông; - Sử dụng lý thuyết thành phần hạt Fuller để nghiên cứu xây dựng thành phần cấp phối hạt với kích cỡ hạt nhỏ từ 1μm đến 12.500μm phù hợp với loại đất trạng đê sông; - Xác định chế hình thành cường độ gia cố (đất + tro bay) + xi măng từ tương tác hỗn hợp chất kết dính, phản ứng hóa học để chuyển từ trạng thái rời rạc sang trạng thái rắn (đất hóa bê tơng); Trên sở nghiên cứu lý thuyết vậy, tác giả xây dựng hệ thống vấn đề nghiên cứu tiền đề cho nghiên cứu chương CHƯƠNG NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ ĐÊ KẾT HỢP LÀM ĐƯỜNG GIAO THƠNG 3.1 Nghiên cứu thực nghiệm phòng 3.1.1 Vật liệu thành phần lớp đất thân đê gia cố Đất dùng để làm thí nghiệm phòng chọn đất trạng từ đê hữu Đuống, tỉnh Bắc Ninh (ĐHĐ) Tro bay sử dụng kết hợp với xi - Cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ, modul đàn hồi CPĐD gia cố CKD sử dụng TB nhà máy nhiệt điện Đông Triều cao so với sử dụng TB nhà máy nhiệt điện Cẩm Phả - Giá trị cường độ chịu nén, cường độ ép chẻ, modul đàn hồi tăng dần từ 0%, 10%, 20% TB so với khối lượng CKD đến 30% giảm xuống, sử dụng 20% TB đem lại kết cao cho việc nghiên cứu 3.2 Thực nghiệm trường 3.2.1 Nghiên cứu thực nghiệm gia cố lớp đất thân đê Vật liệu để gia cố thân đê đất chỗ (đào lên từ thân đê cũ); tro bay Đông Triều; xi măng Nghi Sơn PCB40; nước thi công lấy nước Hình 3.15 Giá trị sức chịu tải CBR thân đê trạng sau đào đến cao trình gia cố Hình 3.16 Modul đàn hồi thân đê trạng sau đào đến cao trình gia cố 11 Hình 3.19 Độ chặt đất vị trí gia cố lớp với đợt lu lèn Hình 3.20 Modul đàn hồi lớp đất sau rải lớp đất gia cố (lớp 1) Hình 3.21 CBR điểm đo lớp đất gia cố (lớp 1) 12 Hình 3.29 Độ chặt đất vị trí gia cố lớp với đợt lu lèn Hình 3.30 Cường độ chịu nén mẫu đất gia cố tro bay xi măng theo ngày tuổi Hình 3.31 Khả chịu tải CBR mẫu đất gia cố tro bay xi măng theo ngày tuổi 13 Hình 3.32 Modul đàn hồi lớp đất thân đê gia cố đo trường Hình 3.35 Khả chịu tải đất thân đê trường đo lớp thứ Kết đo Hình 3.35 cho thấy sau gia cố tro bay xi măng lớp CBR tăng rõ rệt tăng đến mức > 30% với mức coi đạt yêu cầu làm lớp CPĐD loại đường theo TCVN 8858:2011 Vậy, nghiên cứu đề nghị bỏ lớp Subbase lớp đất gia cố thay nhiệm vụ lớp CPĐD kết cấu mặt đê cần lớp cấp phối đá dăm gia cố tro bay xi măng lớp đất gia cố 3.2.2 Thực nghiệm trường xác định hệ số thấm Ở trường thí nghiệm sau 28 ngày tuổi với độ sâu thí nghiệm khác lớp đất gia cố Từ kết thí nghiệm 05 mẫu phòng 03 thí nghiệm trường cho thấy: 14 - Vật liệu gia cố có tính thấm nhỏ, hệ số thấm phòng giảm dần theo thời gian, từ 1,1.10-6cm/s đến ~10-8cm/s; - Hệ số thấm trường phụ thuộc vào độ sâu thí nghiệm mức độ đồng vật liệu gia cố, hệ số thấm trung bình 1,605.10-6cm/s 3.2.3 Đánh giá tác động hỗn hợp đất gia cố mơi trường Qua kết phân tích tiêu hóa học dung dịch nước sau ngâm đun hồi lưu hai mẫu đất cho thấy hỗn hợp đất gia cố trình khai thác sử dụng không làm ảnh hưởng đến môi trường 3.2.4 Kết thực nghiệm trường lớp cấp phối đá dăm gia cố xi măng Hình 3.50 Quan hệ cường độ chịu nén mẫu đúc mẫu khoan theo thời gian Hình 3.51 Quan hệ cường độ ép chẻ mẫu đúc mẫu khoan theo thời gian 15 Hình 3.52 Quan hệ modul đàn hồi E theo thời gian Với kết thực nghiệm trường sở tiêu kỹ thuật, tác giả đề xuất kết cấu áo mặt đường đê bao gồm tầng, lớp đảm bảo yêu cầu chống lũ kết hợp giao thơng thể Hình 3.53 Hình 3.53 Kết cấu áo mặt đường đê đề xuất sau nghiên cứu 3.3 Kết luận chương Qua nghiên cứu từ thí nghiệm phòng đến thực nghiệm trường, tác giả xác định tỷ lệ cấp phối tối ưu để gia cố tiêu kỹ thuật đạt kết là: - Xác định tỷ lệ (85% đất + 15% tro bay)+ 10% xi măng tỷ lệ tốt để gia cố lớp đất thân đê đạt yêu cầu kết hợp giao thông; - Xác định tỷ lệ 96%CPĐD + 4%CKD (80% xi măng + 20% tro bay) tỷ lệ tốt để gia cố CPĐD làm móng mặt đê; - Lớp đất gia cố (ĐHĐ + TB) + XM đạt K ≥ 0,98 với số lần đầm 70% theo TCVN 10379:2014 (là 20÷25 lần đầm); 16 - Cấp phối đá dăm gia cố CKD dễ đầm chặt, làm giảm số lần đầm lu lèn hỗn hợp cấp phối đá dăm - Cấp phối đá dăm gia cố 4% CKD đạt cường độ nén tuổi ngày RnénCKD = 11,2MPa so với CPĐD gia cố 5% XM có RnénXM = 5,26MPa, chọn làm thiết kế quản lý thi công để cải thiện kết cấu mặt đê kết hợp giao thông; Đề xuất kết cấu mặt đê đảm bảo chống lũ kết hợp giao thông gồm tầng, lớp: lớp mặt bê tơng xi măng M300; lớp móng CPĐD gia cố 4% CKD; lớp (đất gia cố + tro bay) + xi măng CHƯƠNG ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO ĐÊ HỮU ĐUỐNG, TỈNH BẮC NINH 4.1 Giới thiệu đoạn đê hữu Đuống từ Km21+600÷Km31+500 Đê hữu Đuống đoạn từ Km21+600÷Km31+500 có cao trình mặt đê cao từ 0,80÷1,00m so với mực nước thiết kế Thượng Cát (+12,80m); Bến Hồ (+10,10m) Đỉnh đê cứng hóa bê tông, trải qua 10 năm khai thác sử dụng, nhiều đoạn bị nứt, gãy Cấu tạo địa chất thể mặt cắt đại din Hỡnh 4.1 phía sông phía đồng 14.0 14.0 TD038 12.0 12.0 0.0-2.8 10.0 TD037 TD039 (D1-1) 10.0 2.5-2.7: U1 2.8-5.0 8.0 (D1-3) 0.0-3.3 0.0-2.0 8.0 2.0-6.1 6.0 4.8-5.0: U2 5.0-9.8 6.0 4.0 3.3-6.5 (D1-6) 4.0 5.0-5.2: U2 8.8-9.0: U4 2.0 0.0 2.0 6.1-8.0 6.5-8.0 (D1-8) 7.8-8.0: U3 9.8-10.5 (D1-9) 10.5-12.0 11.0-11.2: D5 6.8-7.0: U3 0.0 (D1-10) -2.0 -2.0 0.0 5.0 10.0 15.0 20.0 Hình 4.1 Mặt cắt địa chất điển hình đê hữu Đuống đoạn từ Km21+600÷Km31+500 17 4.2 Áp dụng kết nghiên cứu cho đê hữu Đuống, Bắc Ninh Kết cấu mặt đường Hình 4.2 kết cấu mặt đường đề xuất tác giả có từ kết nghiên cứu chương Kết cấu mặt đường Hình 4.3 kết cấu mặt đường theo tiêu chuẩn ngành giao thông, cụ thể Quyết định 3230/QĐBGTVT Hình 4.2 Kết cấu mặt đường đê đề xuất kết hợp giao thơng Trong đó: - Lớp 1: Bê tơng xi măng M300 có chiều dày 25cm, cao độ mặt đê 11,65m; - Lớp 2: Lớp CPĐD loại gia cố chất kết dính 4%, chiều dày 18cm; - Lớp 3: Lớp đất trạng thân đê gia cố 15% tro bay 10% xi măng, chiều dày 50cm; - Lớp đất phía lớp 3: lớp đất trạng đê So sánh với kết cấu mặt đường truyền thống gồm lớp thể Hình 4.3 mơ tả Hình 4.3 Kết cấu mặt đường đê theo tiêu chuẩn ngành giao thông (truyền thống) - Lớp 1: Bê tơng M300 có chiều dày 30cm; - Lớp 2: Lớp đá dăm loại 1, chiều dày 15cm; 18 - Lớp 3: Lớp đá dăm loại 2, chiều dày 15cm; - Lớp 4: Lớp đất tốt đầm chặt K ≥ 0,98 CBR ≥ 6, chiều dày 30cm; - Lớp 5: Lớp đất đầm chặt K ≥ 0,95 CBR ≥ 4, chiều dày 50cm; - Lớp đất phía lớp 5: Là lớp đất nguyện trạng đê 4.3 Kiểm toán lại phù hợp kết cấu đề xuất theo định 3230/QĐ-BGTVT Theo định số 3230/QĐ-BGTVT, giá trị dùng để tính tốn kiểm tốn lại phù hợp kết cấu áo đường đề xuất gồm: Modul đàn hồi chung Et đất móng vật liệu hạt; độ cứng tương đối chung kết cấu Rg; ứng suất tải trọng trục xe gây ra; ứng suất kéo uốn gradient nhiệt độ gây - Theo điều kiện (8-1): γ r (σ pr  σ tr )  f r hay 4,105MPa < 5,00MPa - Theo điều kiện (8-2): γ r (σ pmax  σ tmax )  f r hay 4,283MPa < 5,00MPa - Theo điều kiện (8-3): γ r σ bpr  f br hay 0,071MPa < 4,00MPa Qua kết kiểm toán kết cấu áo mặt đường đê đề xuất với cho thấy kết cấu áo mặt đường đê BTXM dự kiến gồm lớp đề xuất thỏa mãn điều kiện giới hạn cho phép 4.4 Phân tích ổn định đê với kết cấu mặt đường đề xuất so với kết cấu mặt đường theo u cầu ngành giao thơng 4.4.1 Phân tích ổn định đê với kết cấu truyền thống 4.4.1.1 Ổn định thấm Trường hợp tính tốn đê làm việc trường hợp bất lợi mực nước phía sông mực nước thiết kế MNLTK=+10,2m, hạ lưu nước; đỉnh đê cho phép xe lưu thơng bình thường với tải trọng trục lớn Pmax=18T Kết tính tốn cho thấy gradient J=0,25  [Jk]=0,45; đê khơng bị xói ngầm 19 4.4.1.2 Ổn định mái đê Kết phân tích ổn định mái đê với mái đê phía đồng phía sơng cho hệ số ổn định nhỏ mái đê 1,650 2,703 lớn hệ số ổn định cho phép [Kn] = 1,15 4.4.2 Phân tích ổn định đê với kết cấu đề xuất 4.4.2.1 Ổn định thấm Trường hợp tính tốn lấy tính tốn ổn định thấm trượt mái kết cấu đê truyền thống Kết tính tốn cho thấy gradient J=0,35  [Jk]=0,45 nên đê khơng bị xói ngầm 4.4.2.2 Ổn định mái đê Kết phân tích ổn định mái đê với mái đê phía đồng phía sơng cho hệ số ổn định nhỏ mái đê 1,632 2,647 lớn hệ số ổn định cho phép [Kn] = 1,15 4.5 So sánh giá thành xây dựng hai phương án Để so sánh giá thành xây dựng hai phương án, tiến hành tính tốn khối lượng lập dự tốn xây dựng cơng trình ứng với hai mặt cắt đê truyền thống mặt cắt đê đề xuất với chiều dài tuyến 1km Giá thành xây dựng cho 1km đê làm theo hai phương án tổng hợp Bảng 4.7 Bảng 4.7 Chi phí xây dựng cho 1km đê hai phương án TT Phương án Chi phí (VNĐ) Phương án truyền thống ngành giao thông 7.470.467.000 Phương án đề xuất 7.152.085.000 (Giá vật liệu xây dựng lấy theo báo giá tỉnh Bắc Ninh) Kết tính tốn giá thành xây dựng cho thấy chi phí xây dựng mặt đường đê theo kết cấu đề xuất đạt lợi ích kinh tế tốt so với kết cấu mặt đường truyền thống Kết hợp với kết tính tốn, kiểm toán kết cấu mặt đê hai phương án, khẳng định phương án xây dựng mặt đường đê theo kết cấu 20 đề xuất đạt hiệu cao phương án xây dựng mặt đường đê theo kết cấu truyền thống 4.6 Công tác tổ chức thi công lớp đất thân đê gia cố làm thượng kết cấu áo mặt đường đê Thi công lớp thượng đất gia cố dày 50cm chia làm lớp, lớp dày 30cm, lớp dày 20cm Trình tự thi cơng - Xác định vị trí tuyến thi công (lên ga, cắm cọc); - Tiến hành đào bỏ lớp áo đường cũ hư hỏng (bóc bỏ phong hóa) đào sâu tới cao trình gia cố; - Cày xới, lu lèn lại 30cm đất đạt độ chặt K ≥ 0,97 tính từ cao trình gia cố trở xuống để giảm thiểu tác động tải trọng máy thi cơng đất gia cố đến thân đê phía dưới; - Tiến hành dùng máy phay để phay nhỏ đất D < 5mm; - Dùng máy xúc kết hợp máy trộn tự hành thủ công tiến hành trộn hỗn hợp đất gia cố xi măng tro bay theo tỷ lệ tính tốn mẻ trộn; máy quay tự hành trộn hỗn hợp đất, tro bay, xi măng đều, tiến hành cho tập kết công trường thi công đến đủ khối lượng để thi công lớp tính tốn - San gạt hỗn hợp đất gia cố đến cao độ tính tốn, san gạt máy san kết hợp thủ công; - Tiến hành lu lèn theo trình tự sau: + Lu tĩnh 9T lu lượt/điểm vận tốc lu 2÷3km/h, xác định độ chặt K, γk; + Lu rung 21T lu lượt/ điểm vận tốc lu 2÷3km/h, xác định độ chặt K, γk; - Thi công lớp xong, sau ngày tiến thành thi công lớp 4.6.1 Nghiệm thu lớp đất gia cố Khi thi công với chiều dài tuyến 1000m việc nghiệm thu lớp đất gia cố cần tuân thủ theo TCVN 10379:2014, cụ thể sau: - Cứ 1000m dài phần xe chạy xe phải khoan mẫu (3 mẫu để thử nén, mẫu để thử ép chẻ) không mặt cắt mà phân bố 1000m 21 dài tuyến đường để kiểm tra cường độ quy định đồng thời để kiểm tra chiều dày khối lượng thể tích khơ mẫu Nếu kết có lỗ khoan mẫu khơng đạt u cầu quy định lân cận vùng phải khoan thêm mẫu để kiểm tra cho chắn Sai số cho phép cường độ cục 5% nhỏ so với yêu cầu Bảng (hoặc yêu cầu quy định đồ án thiết kế trung bình 1000m dài đường không nhỏ yêu cầu) - Đối với yếu tố hình học khác lớp đất gia cố, 1000m dài đường kiểm tra tối thiểu mặt cắt ngang 4.7 Kết luận chương Qua kiểm tra tính tốn ổn định (thấm, trượt mái) với kết cấu đê đề xuất kết cấu đê truyền thống cho đoạn đê hữu Đuống, tỉnh Bắc Ninh, tác giả thấy giá trị xấp xỉ đảm bảo điều kiện ổn định trượt Với kết cấu đê đề xuất, tác giả kiểm toán theo Quyết định 3230/QĐBGTVT, kết tính modul đàn hồi E, độ cứng Rg; ứng suất kéo uốn lớn nhất; điều kiện giới hạn đảm bảo đáp ứng yêu cầu kỹ thuật ngành giao thơng; Chi phí giá thành xây dựng kết cấu đê đề xuất thấp kết cấu đê truyền thống 318 triệu/1km; Xây dựng trình tự thi công kết cấu mặt đê từ công tác chuẩn bị đến hoàn thiện, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật (vật liệu, trộn, đầm, thí nghiệm mẫu, ) KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ I Kết đạt Luận án Trên sở kết nghiên cứu đạt được, Luận án đưa số kết luận sau: - Đất thân đê có khả chịu tải thay đổi từ CBR từ 4÷10% khơng tồn tuyến đê hữu Đuống Nếu khơng cải thiện đất khó 22 đầm chặt đạt khả chịu tải theo yêu cầu, thường > 30% lớp đất thượng xây dựng cơng trình giao thơng - Tỷ lệ thành phần lựa chọn thích hợp với 15% tro bay Đông Triều 85% đất khô, sau có 10% xi măng để kích hoạt khả làm việc tro bay hỗn hợp - Thực nghiệm trường sở tỷ lệ chọn phòng với tỷ lệ xi măng khác từ 5÷10% cho thấy lớp đất thân đê gia cố cải thiện khả chịu tải, CBR tăng lên giá trị > 100% dùng làm lớp CPĐD mặt đường Thực nghiệm đánh giá modul đàn hồi hệ số thấm lớp đất gia cố, đạt yêu cầu cao so với mức khả chịu tải xe đường đê, khả chống thấm (hệ số thấm cho lớp đất thân đê theo yêu cầu) - Thực nghiệm trường đưa sở để chọn công nghệ thi cơng hợp lý lớp đất có tro bay làm thành phần vi cốt liệu (hạt mịn đất) thi cơng lu lèn chặt so với tiêu chuẩn quy định TCVN 13079:2014; Phát triển cường độ chịu nén ép chẻ mẫu đất đúc trường mẫu đất khoan cho thấy tương đồng nên lấy cường độ ngày để làm thiết kế, thi công lớp - Thử nghiệm phòng lớp CPĐD gia cố tro bay xi măng chọn tỷ lệ hợp lý tro bay chiếm 20% chất kết dính Thử nghiệm trường đánh giá công nghệ thi công hợp lý lớp vật liệu CPĐD gia cố tro bay xi măng, đảm bảo thời gian kết thúc lu lèn tính từ trộn hỗn thời gian nhỏ 120 phút - Cường độ modul lớp CPĐD gia cố xi măng đạt cao Cường độ chịu nén mẫu đúc trường đạt từ 11,2÷18,34MPa, cường độ ép chẻ đạt từ 0,41÷1,02MPa tuổi ngày Cường độ chịu nén mẫu khoan trường từ 6,25÷10,02MPa có tương đồng với mẫu đúc Modul đàn hồi đạt từ 435÷715MPa thỏa mãn yêu cầu lớp Base cho mặt đường cấp cao 23 II Những điểm Luận án Xác định cấp phối vật liệu hợp lý (đất thân đê có + xi măng + tro bay) cho lớp thượng lớp (CPĐD + XM + TB) thuộc kết cấu mặt đê; Đề xuất kết cấu mặt đê đảm bảo yêu cầu chống lũ kết hợp giao thông theo tiêu chuẩn đường cấp III; Xây dựng trình tự, cơng nghệ thi cơng gia cố phạm vi lớp thượng kết cấu mặt đường; III Những tồn kiến nghị nghiên cứu từ kết luận án Tồn Việc thi công lớp đất gia cố tro bay xi măng sử dụng máy dùng cho công tác làm đất bê tơng thơng thường mà chưa có máy chuyên dụng; Chiều dài đoạn thi công thực nghiệm ngắn chi phí hạn chế Kiến nghị nghiên cứu từ kết luận án Trong phạm vi luận án làm dạng bán thủ cơng có kết hợp máy móc, phần trộn làm thủ công Cần dùng thiết bị trộn, phay nơng nghiệp thiết bị tái chế có độ phun bột ngành giao thông vận tải để tạo điều kiện thi công nhanh, đồng Để triển khai đại trả dự án đê sông vùng đất yếu cần có dự án thử nghiệm chiều dài > 1km đê; Xây dựng quy trình Tiêu chuẩn Quốc gia hướng dẫn thi công lớp đất thân đê gia cố giải pháp cải thiện độ ổn định đê; Soát xét số tiêu chuẩn sử dụng gia cố TCVN 8858:2011; TCVN 10379:2014 để phù hợp với điều kiện thực tế Việt Nam; 24 DANH MỤC CÁC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Đặng Công Hưởng “Nghiên cứu thực nghiệm gia cố đất thân đê hữu Đuống kết hợp làm đường giao thông vật liệu xi măng tro bay” Tạp chí KHKT Thủy lợi Mơi trường Số 58, trang 34-40, tháng 9/2017 Đặng Công Hưởng “Nghiên cứu sử dụng tro bay phần chất kết dính móng cấp phối đá dăm gia cố xi măng làm kết cấu mặt đê kết hợp giao thơng” Tạp chí cầu đường Việt Nam Số 8, trang 26-30, tháng 8/2017 Tu, P Q, Tuan D Q, Ha N V and Huong D C (2016) Reliability - based Assessment of the Red River dike of Hanoi, Vietnam International Conference on Geology and Geo-resources (GAG) (P222-226), Hanoi, ESASGD 2016 Đặng Công Hưởng “Hư hỏng mặt đường giao thông đỉnh đê, nguyên nhân giải pháp khắc phục” Người xây dựng Bắc Ninh Số 01, trang 35-37, tháng 1/2014 25 ... thích hợp đảm bảo chống lũ kết hợp giao thơng Mục đích nghiên cứu - Xây dựng sở khoa học để lựa chọn kết cấu mặt đê đảm bảo chống lũ kết hợp giao thông; - Xây dựng sở khoa học để gia cố đất thân đê. .. thống đê sông kết hợp giao thông Chương 2: Cơ sở khoa học để cải thiện đất thân đê đảm bảo yêu cầu chống lũ kết hợp giao thông Chương 3: Nghiên cứu thực nghiệm xác định giải pháp gia cố đê kết hợp. .. thiết kế quản lý thi công để cải thiện kết cấu mặt đê kết hợp giao thông; Đề xuất kết cấu mặt đê đảm bảo chống lũ kết hợp giao thông gồm tầng, lớp: lớp mặt bê tơng xi măng M300; lớp móng CPĐD