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 tt

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 Chun ngành: Kỹ thuật xây dựng cơng trình thủy Mã số : 958 02 02 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội - 2020 Cơng trình hồn thành tại: Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam Cán hướng dẫn khoa học: PGS.TS Nguyễn Thanh Bằng GS.TS Hồ Sĩ Minh Phản biện 1: GS.TS Phạm Ngọc Quý Phản biện 2: PGS.TS Nguyễn Quang Phú Phản biện 3: PGS.TSKH Bạch Đình Thiên Luận án bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án Tiến sĩ cấp Viện họp Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, địa chỉ: 171 Tây Sơn, Đống Đa, Hà Nội Vào hồi … … phút, ngày … tháng … năm 2020 Có thể tìm hiểu Luận án tại: - Thư viện Quốc gia Việt Nam; - Thư viện Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam -1- MỞ ĐẦU Đặt vấn đề Nước ta có 3260 km bờ biển trải dài từ Bắc vào Nam với hệ thống đê biển hình thành củng cố qua nhiều thời kỳ Hệ thống đê biển tài sản quý Quốc Gia, hạ tầng sở quan trọng phát triển ổn định kinh tế, xã hội, quốc phòng an ninh [10] Đê biển loại cơng trình quan trọng, dù khơng phức tạp mặt kết cấu, có đặc điểm riêng Đó chiều dài lớn nhiều so với chiều cao, qua nhiều dạng địa hình địa chất khác nhau, hình thành thời gian dài với nhiều công nghệ thi công không giống An toàn hiệu đê biển phụ thuộc lớn vào điều kiện tự nhiên (nhất địa chất tác động yếu tố thủy hải văn, sóng biển), hoạt động người Sự cố với đê biển xảy bất ngờ thời gian không gian Do chuẩn thiết kế mức độ định mà thực tế xảy vượt thiết kế, thiết kế chưa tính hết, hình thức cơng trình chưa phù hợp, thi cơng chưa đảm bảo chất lượng đâu đó, cơng tác tu bảo dưỡng chưa tốt, hỏng dần theo thời gian… An toàn hiệu đê biển bảo vệ đất đai, dân cư, kinh tế phòng chống thiên tai (nhất nước biển dâng, sóng bão, xói lở bờ bãi, biển xâm lấn…) phụ thuộc nhiều vào quy mô, độ bền cường độ ổn định trượt, biến dạng phận tạo nên đê, cơng trình đê biển, đê biển, có kết cấu bảo vệ mái đê biển Vấn đề nghiên cứu đê biển giới có từ lâu, đặc biệt nước phát triển, Hà Lan, Mỹ, Đức, Nhật…, vật liệu truyền thống như: đá hộc, bê tông, bê tông cốt thép , nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu bitum điển hình Hà Lan sử dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc từ năm 1960 Loại vật liệu bền vững ngày Nếu biết thừa hưởng nghiên cứu nước phát triển để nghiên cứu kết cấu bảo vệ mái đê biển Việt Nam cần thiết Ở Việt Nam thay đổi điều kiện thủy lực, thủy văn, vật liệu xây dựng, công nghệ thi công… nên việc nghiên cứu theo hướng kế thừa kết nghiên cứu nước phát triển điều chỉnh cho phù hợp Qua kết nghiên cứu nước giới đề tài KHCN cấp nhà nước “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp để gia cố đê biển chịu nước tràn qua sóng, triều cường, bão nước biển dâng”, mã số ĐTĐL.2012-T/06 cho thấy tính khả thi phù hợp loại vật liệu Tuy nhiên ĐTĐL.2012-T/06 nhiều vấn đề cần tiếp tục nghiên cứu, có hai nội dung mà NCS muốn sâu vào nghiên cứu hoàn thiện Thứ nhất: Theo nghiên cứu nước, chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc chưa có cơng thức tính tốn việc xác định chiều sâu thâm nhập kết thí nghiệm nhiều thời gian Một vấn đề tính toán cấp phối vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc, việc xác định độ nhớt hỗn hợp asphalt lấy theo kinh nghiệm Vì vậy, tác giả tiến hành nghiên cứu thiết lập quan hệ chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc độ nhớt hỗn hợp asphalt Qua xác định -2- chiều sâu thâm nhập độ nhớt phục vụ tính tốn thiết kế, thi cơng ứng dụng loại vật liệu cho kết cấu bảo vệ mái đê biển Thứ hai: Ở nước [31] chiều dày lớp gia cố tính hai phương pháp tra biểu đồ công thức giải tích Ở Việt Nam [10] sử dụng phương pháp tra biểu đồ Theo đó, việc tính tốn thuận lợi, kết có độ xác khơng cao Để hồn thiện tiếp phương pháp tính tốn chiều dày lớp gia cố (h) cơng thức giải tích (1.8), cần phải xác định giá trị mô đun độ cứng (S) công thức (một tiêu lý đặc trưng kết cấu bảo vệ mái đê biển vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc) Vì tác giả nghiên cứu phương pháp tính tốn, thí nghiệm xác định mơ đun độ cứng (S) Với lý nêu trên, tác giả đề xuất tên đề tài luận án: “Nghiên cứu xác định chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển” Mục tiêu nghiên cứu Thiết lập mối quan hệ chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc độ nhớt hỗn hợp asphalt cho kết cấu bảo vệ mái đê biển Việt Nam Thiết lập mối quan hệ mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc phịng thí nghiệm trường Chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển kiểm tra, tính tốn mơ hình áp dụng thực tế Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu kè đá hộc bảo vệ mái đê phía biển, dạng mái nghiêng m = ÷ tỉnh phía Bắc Phạm vi nghiên cứu thâm nhập hỗn hợp asphalt chèn đá hộc số tiêu học vật liệu kết cấu Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết Nghiên cứu thực nghiệm Phương pháp chuyên gia Ý nghĩa khoa học thực tiễn Về khoa học: Luận án nghiên cứu làm rõ mối quan hệ tiêu lý vật liệu, để xác định chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển Về thực tiễn: Góp phần hồn thiện phương pháp xác định chiều sâu thâm nhập, độ nhớt hỗn hợp asphalt mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển, phục vụ cho việc tính tốn chiều dầy lớp kết cấu bảo vệ, thiết kế cấp phối thi công kè bảo vệ mái đê biển đá hộc có sử dụng hỗn hợp asphalt Việt Nam Những đóng góp luận án (1) Luận án xây dựng phương pháp luận thiết lập công thức thực nghiệm xác định chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc, công thức (3.3) -3- (2) Luận án xây dựng phương pháp luận thiết lập công thức thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc, công thức (3.7) 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 đê biển kè bảo vệ mái 1.1.1 Khái qt chung Đê biển loại cơng trình quan trọng, tuỳ thuộc vào quy mơ tính chất khu vực tuyến đê bảo vệ mà phân thành cấp [7] Căn vào điều kiện dân sinh kinh tế mơi trường, địa hình, địa chất, khí tượng thủy văn, hải văn… để lựa chọn vị trí tuyến đê, hình dạng tuyến đê hình dạng mặt cắt đê biển Căn vào đặc điểm hình học mái đê phía biển, mặt cắt đê biển chia thành loại đê mái nghiêng, đê tường đứng đê hỗn hợp (trên nghiêng đứng đứng nghiêng) Căn vào điều kiện địa hình, địa chất, thủy hải văn, vật liệu xây dựng, điều kiện thi công yêu cầu sử dụng để chọn dạng mặt cắt đê biển phù hợp Để đảm bảo an toàn hiệu đê biển, việc tính tốn lựa chọn quy mơ, hình thức xử lý nền, hình dạng mắt cắt vật liệu sử dụng cho thân đê, cơng trình qua thân đê, cơng trình đê có hình thức kè bảo vệ mái đê biển vô quan trọng Kè bảo vệ mái có phận chính: Đỉnh kè (thường có tường đỉnh), thân kè chân kè Kè có nhiều loại cấu tạo khác (cứng-mềm; bê tông - đá xây - đá đổ - đá lát khan - đá chít mạch; đổ chỗ - lắp ghép; phối hợp) 1.1.2 Các dạng kết cấu bảo vệ mái đê biển Việt Nam a.Giá cố mái trồng cỏ b Đá hộc thả rối, đê biển c Đá lát khan khung đá đê biển Đồng Môn Hà Tĩnh Cát Hải Hải Phòng đê biển Hải Hậu, N.Định d.Đá xây chia ô, đê biển Hải Thịnh II, N.Định e.Thảm rọ đá đê 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] 1.2 Vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc 1.2.1 Thành phần vật liệu Vật liệu dùng cho hỗn hợp asphalt chèn đá hộc bao gồm: cốt liệu (cát, đá), bột đá, phụ gia (nếu có), chất kết dính bitum Hỗn hợp asphalt -4- chèn đá hộc dạng vật liệu hỗn hợp với hàm lượng bitum cao (khoảng 14-20%), nhiệt độ 120oC-170oC hỗn hợp trạng thái nhớt lỏng thi cơng để tự chèn lấp đầy vào khe rỗng viên đá hộc 1.2.2 Vai trị, tính chất vật liệu thành phần 1.2.2.1 Tính chất cốt liệu: Ảnh hưởng cốt liệu đến tính chất khả chịu lực vật liệu hỗn hợp asphalt lớn Cốt liệu lý tưởng cho hỗn hợp phải có cấp phối hợp lý, cường độ cao, khả chịu lực tốt Những tính chất khác bao gồm độ rỗng thấp, bề mặt xù xì, bị bám bẩn [15],[16] 1.2.2.2 Cát: Vai trò cát vật liệu hỗn hợp asphalt chèn kẽ hở hạt cốt liệu lớn, làm tăng độ đặc hỗn hợp Có thể dùng cát thiên nhiên hay cát nhân tạo, có tiêu kỹ thuật phù hợp với quy phạm dùng cho bê tông nhựa [2] 1.2.2.3 Bột khoáng: Là thành phần quan trọng vật liệu hỗn hợp asphalt Nó khơng nhét đầy lỗ rỗng, làm tăng độ đặc hỗn hợp mà làm tăng diện tích tiếp xúc, làm cho màng bitum mặt hạt khoáng mỏng lực tương tác chúng tăng lên, cường độ độ bền nước vật liệu hỗn hợp tăng lên Ngoài ra, cịn làm cho hỗn hợp đạt độ lưu động cần thiết, tránh tượng phân tầng để lấp đầy lỗ rỗng viên đá hộc [2],[14],[16],[31] 1.2.2.4 Bitum: Bitum đóng vai trị chất kết dính để liên kết thành phần vật liệu rời lại với Vì vậy, chức quan trọng bitum dính bám với bề mặt hạt cốt liệu liên kết chúng lại với Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng dính bám bitum vật liệu khống Các yếu tố phụ thuộc vào đặc tính vật liệu yếu tố tác động bên [16] Một hàm lượng bitum hợp lý, vừa đủ bao bọc liên kết cốt liệu khoáng chất cho phép cải thiện chất lượng vật liệu hỗn hợp aspahlt Bitum dùng để chế tạo vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc loại bitum đặc, gốc dầu mỏ thoả mãn yêu cầu kỹ thuật quy định TCVN 7493-2005 1.3 Tổng quan kết nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc cho kết cấu bảo vệ mái đê biển 1.3.1 Trên giới Nhiều nước giới có Hà Lan, nghiên cứu thành công sử dụng phổ biến vật liệu cát, đá bitum để bảo vệ mái đê biển từ năm 1960 bền vững ngày So với vật liệu thường dùng trước bê tơng bê tơng cốt thép vật liệu hỗn hợp nhựa đường, cát, đá có tính ưu việt hơn, là: khả biến dạng, đàn hồi tốt, thích ứng cách mềm dẻo với biến dạng đê thân đê, hạn chế lún sụt, xói lở cục đê biển, độ bền tuổi thọ cao Có nhiều tài liệu nghiên cứu sử dụng nhựa đường kỹ thuật thủy lợi Rất nhiều sách báo tài liệu xuất Trong số nghiên cứu đó, có nhiều nghiên cứu cụ thể mơ hình cơng trình ứng dụng thực tế Một số cơng trình đê biển ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt -5- Hình 1.6- Mặt cắt điển hình đê chắn sóng Hook-Hà Lan[30] Hình 1.7-Mặt cắt đê sử dụng vật liệu asphalt bến cảng phía bắc Harlingen[21] Hình 9- Đê biển phía Tây Nam Hà Lan sử dụng vữa asphalt chèn đá bazan[33] 1.3.2 Ở Việt Nam Ở nước ta, vật liệu hỗn hợp asphalt chủ yếu sử dụng dạng bê tông asphalt để làm đường giao thông Viện KHTL Việt Nam đơn vị bước đầu nghiên cứu ứng dụng loại vật liệu xây dựng cơng trình thủy lợi qua đề tài KHCN cấp nhà nước “Nghiên cứu ứng dụng vật liệu hỗn hợp để gia cố đê biển chịu nước tràn qua sóng, triều cường, bão nước biển dâng’’ 1.4 Các nghiên cứu chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt mô đun đàn hồi kết cấu mái đê biển 1.4.1 Chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc Hỗn hợp asphalt chèn đá hộc thi cơng tự chèn đầy vào khe rỗng viên đá hộc (không cần đầm) Do chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt yếu tố quan trọng định đến độ đặc chắc, khả chịu tải lớp kết cấu gia cố bảo vệ mái đê biển Vấn đề nghiên cứu chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc, theo tài liệu ngồi nước cịn hạn chế, khuyến cáo đưa dựa kinh nghiệm thực tế Chiều sâu thâm nhập phụ thuộc nhiều vào độ nhớt hỗn hợp asphalt Các nghiên cứu [10], [31] phân tích yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt hỗn hợp asphalt Tuy nhiên, việc xác định độ nhớt yêu cầu để cho hỗn hợp asphalt sau rót vào khe rỗng đá hộc, đạt chiều sâu thâm nhập thiết kế chưa nghiên cứu cách cụ thể Vì vậy, vấn đề đặt là, cần có nghiên cứu chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào -6- khe rỗng đá hộc mà chiều sâu phụ thuộc vào độ nhớt yêu cầu hỗn hợp asphalt kích thước đá hộc sử dụng, kết cấu bảo vệ mái đê biển 1.4.2 Mô đun đàn hồi kết cấu mái đê biển vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc Đối với loại vật liệu như: đất, cát, cấp phối, bê tông nhựa… dùng cho cơng trình xây dựng Các mơ hình thí nghiệm xác định mơ đun đàn hồi nghiên cứu đưa vào tiêu chuẩn Để xác định giá trị mô đun đàn hồi phải sử dụng mơ hình thí nghiệm trường phịng Trang thiết bị dụng cụ thí nghiệm trường thông thường lớn tốn thí nghiệm phịng Có số nghiên cứu điển [1], xây dựng cơng thức quan hệ thực nghiệm tương quan Eo (xác định trường) với số sức chịu tải CBR (xác định mẫu thí nghiệm phịng) số loại vật liệu Theo [10], [31] có hai loại độ cứng: Độ cứng đàn hồi, thể vật liệu làm việc điều kiện nhiệt độ thấp, thời gian tác dụng tải trọng ngắn; độ cứng dẻo nhớt thể vật liệu làm việc nhiệt độ cao, tải trọng tác dụng lâu Trong phạm vi nghiên cứu hỗn hợp asphalt làm việc điều kiện đàn hồi, mơ đun độ cứng (S) mô đun đàn hồi (E) Việc đo mô đun độ cứng (bằng thí nghiệm) khơng dễ dàng Do vậy, năm 1977, tập đồn Shell đưa tốn đồ giới thiệu hình 1.13 để dự tính độ cứng vật liệu bitum Phương pháp có ưu điểm dễ sử dụng nhiên có nhược điểm có sai số định, khoảng giá trị biểu đồ lớn có độ xác không cao Việc xác định mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển đo mơ hình thực tế, nhiên để xây dựng mơ hình thí nghiệm thực tế có kích thước, khối lượng lớn để tìm gia giá trị mơ đun đàn hồi phù Hình 1.13- Biểu đồ để dự tính mơ đun độ hợp phải tiền hành nhiều lần dẫn đến cứng VLHH có bitum[17] nhiều thời gian chi phí 1.5 Những vấn đề đặt cho nghiên cứu luận án 1.5.1 Nghiên cứu chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc Giá trị chiều sâu thâm nhập tối ưu chiều sâu vừa đủ lấp đầy hết chiều dày đá hộc lát mái Nếu chiều sâu thâm nhập nhỏ chiều dày đá hộc lát mái kết cấu -7- đặc chắc, giảm khả chịu lực tuổi thọ cơng trình Ngược lại, chiều sâu thâm nhập lớn hỗn hợp asphalt địi hỏi phải có độ nhớt thấp (lượng sử dụng bi tum cao), dẫn đến tượng hỗn hợp có xu hướng chảy sệ xuống phần chân mái nghiêng, tạo lớp vữa thừa bề mặt, tiêu tốn nhiều vật liệu, tăng giá thành cơng trình Chiều sâu thâm nhập phụ thuộc vào yếu tố ảnh hưởng độ nhớt hỗn hợp asphalt, kính thước đá hộc, độ nhám bề mặt đá hộc… Trong nghiên cứu tác giả tập trung nghiên cứu thiết lập quan hệ chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc độ nhớt hỗn hợp asphalt Quá xác định chiều sâu thâm nhập, độ nhớt hỗn hợp asphalt để phục vụ tính toán thành phần cấp phối, kiểm soát chất lượng q trình thi cơng 1.5.2 Nghiên cứu mơ đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc Một tiêu tính tốn thiết kế xác định chiều dày lớp gia cố mái đê biển Việc xác định chiều dày lớp gia cố bảo vệ mái đê biển tính theo cơng thức giải tích (1.8) [31]: 27 16 (1−𝜈2 ) ℎ = 0,75 √ 𝑝 𝑠 𝜎𝑏 𝑐 ( )4 ( ) (1.8) Trong công thức trên, mô đun độ cứng tiêu lý đặc trưng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc cần xác định (Trong trường hợp nghiên cứu mơ đun độ cứng (S) mơ đun đàn hồi (E)) Việc xác định mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển vấn đề khó khăn, theo tài liệu nghiên cứu có hai phương pháp xác định, dựa tốn đồ hình 1.13, nhiên giá trị tính tốn có độ xác khơng cao, hai phải tiến hành thí nghiệm trực tiếp trường đoạn đê thử nghiệm, việc đòi hỏi chi phí xây dựng, thí nghiệm ngồi trường nhiều chi phí thời gian Vấn đề đặt cần tìm phương pháp xác định E cách đơn giản, đảm bảo độ xác định, thực phịng thí nghiệm để giảm thiểu kinh phí thời gian 1.6 Kết luận chương Từ kết nghiên cứu, ứng dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc cho kết cấu bảo vệ mái đê biển giới Việt Nam nêu cho thấy tính ưu việt tiềm sử dụng loại vật liệu xây dựng cơng trình đê biển Qua phân tích nghiên cứu ngồi nước cho thấy, cịn số tồn sau: Việc xác định chiều sâu thâm nhập, độ nhớt hỗn hợp asphalt dựa vào kinh nghiệm thực tế thí nghiệm thử dần, tốn thời gian, phải tiến hành thí nghiệm thử dần nhiều lần; Xác định mô đun đàn hồi để phục tính tốn thiết kế chiều dày kết cấu mái đê biển theo cơng thức giải tích (1.8) cịn nhiều hạn chế cụ thể là: Xác định phương pháp tra biểu đồ có kết chưa xác, xác định mơ hình thực tế nhiều thời gian kinh phí -8- Do cần tiếp tục nghiên cứu bổ sung, hoàn thiện phương pháp xác định chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc, độ nhớt hỗn hợp asphalt mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển phục vụ cho việc thiết kế, thi công đê biển điều kiện thực tế Việt Nam CHƯƠNG 2: CƠ SỞ KHOA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1 Chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc 2.1.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến chiều sâu thâm nhập 2.1.1.1 Độ nhớt hỗn hợp aspahlt Độ nhớt có ảnh hưởng lớn đến chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc Hỗn hợp asphalt có độ nhớt cao, khả thâm nhập vào khe rỗng đá hộc thấp ngược lại Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến độ nhớt hỗn hợp asphalt là: nhiệt độ hỗn hợp, tỷ lệ thành phần cấp phối hỗn hợp, tiêu lý cốt liệu, chất độn mịn, loại bitum sử dụng 2.1.1.2 Kích thước đá hộc Là đại lượng đặc trưng cho loại đá hộc sử dụng, việc lựa chọn sử dụng loại đá hộc có kích thước phụ thuộc vào chiều dày thiết kế lớp kết cấu bảo vệ mái Đá hộc có kích thước lớn, khe rỗng hình thành viên đá lớn, khả thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng lớn ngược lại 2.1.1.3 Độ nhám bề mặt viên đá hộc Đá hộc có bề mặt nhám gây cản trở khả thâm nhập lớn Độ nhám đá hộc phụ thuộc vào nguồn gốc đá, loại đá có độ nhám đặc trưng khác Ảnh hưởng độ nhám giảm kích thước đá hộc tăng lên, tức kích thước lỗ rỗng tăng lên, trường hợp sử dụng đá hộc kích thước lớn, ảnh hưởng độ nhám đến khả thâm nhập hỗn hợp asphalt không đáng kể 2.1.1.4 Nhiệt độ môi trường Nhiệt độ môi trường (nhiệt độ đá hộc) có ảnh hưởng đến nhiệt độ hỗn hợp asphalt nên nhiều có ảnh hưởng đến khả thâm nhập Nhiệt độ thi công hỗn hợp asphalt thường từ 130 ÷ 1700C [13] lớn nhiều so với nhiệt độ đá hộc khoảng từ 15 ÷ 350C Tuy nhiên, khoảng thời gian hỗn hợp asphalt chảy vào khe rỗng đá hộc ngắn, khả suy giảm nhiệt độ ảnh hưởng nhiệt độ môi trường không đáng kể Do vậy, khả thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng viên đá hộc không bị ảnh hưởng nhiều 2.1.1.5 Độ nghiêng mái Nếu độ nhớt hỗn hợp asphalt nhỏ độ nhớt yêu cầu Trong trường hợp này, sau hỗn hợp asphalt thâm nhập hết chiều dày khe rỗng đá hộc theo chiều thẳng từ xuống, tiếp tục chảy dọc theo chiều nghiêng mái đê, tạo thành lớp hỗn hợp asphalt dư thừa phía bề mặt Khi độ nghiêng mái lớn hỗn hợp asphalt chảy xuống chân mái nhiều Nếu độ nhớt hỗn hợp asphalt lớn độ nhớt yêu cầu, chiều sâu thâm nhập nhỏ chiều dày lớp kết cấu đá hộc, hỗn hợp asphalt có xu chảy theo chiều thẳng đứng từ mặt xuống Khi đó, hỗn hợp asphalt thâm -11- lượng cốt liệu (đá), loại bitum, thời gian tác động tải trọng, nhiệt độ vật liệu, khơng phụ thuộc nhiều vào kích thước cốt liệu (đá) hỗn hợp Đây để tác giả xây dựng mơ hình mơ tương tự phịng thí nghiệm với điều kiện sau: 1) Vật liệu hỗn hợp asphalt mơ phịng thí nghiệm tương tự với trường hàm lượng cốt liệu (đá), loại bitum sử dụng, thay đá hộc đá dăm 20x40mm để đảm bảo điều kiện đúc mẫu thí nghiệm; 2) Điều kiện thí nghiệm tương đương nhiệt độ vật liệu tốc độ tăng tải trọng Cơ sở để xác định mô đun đàn hồi trường là: đề xuất mơ hình thí nghiệm, tiến hành chuỗi thí nghiệm mơ đun đàn hồi trường, mơ đun đàn hồi phịng Sử dụng lý thuyết phân tích hồi quy tuyến tính, kiểm định hệ số tương quan xây dựng mơ hình hồi quy tuyến tính hai chuỗi số liệu thí nghiệm, tìm cơng thức tương quan mơ đun đàn hồi trường mơ đun đàn hồi phịng Kết nghiên cứu tìm phương pháp xác định mô đun đàn hồi kết cấu, để phục vụ tính tốn chiều dày kết cấu bảo vệ mái đê biển 2.2.2.2 Thí nghiệm phịng (Etp) Việc xác định E phịng thí nghiệm gần với điều kiện làm việc thực tế loại vật liệu sử dụng cho kết cấu mái đê biển Tác giả sử dụng mơ hình thí nghiệm nén dọc trục mẫu hình trụ trịn điều kiện cho nở hơng vì: Đây mơ hình thí nghiệm đưa vào tiêu chuẩn (22TCN 211-06) dùng phổ biến hầu hết phịng thí nghiệm; Thiết bị thí nghiệm trì nhiệt độ mẫu thí nghiệm tồn thời gian đo; Mẫu thí nghiệm điều kiện cho nở hông gần giống với điều kiện làm việc thực tế chế tạo từ loại vữa asphalt rót vào hỗn hợp đá khơng sử dụng đầm, giá trị mô đun đàn hồi nhỏ 2.2.2.3 Thí nghiệm ngồi trường (Eht) Xác định giá trị E trường kết cấu bảo vệ mái đê biển vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc, mơ hình thi công ứng dụng thực tế đê biển Cồn Tròn - Hải Hậu - Nam Định [10] Với đặc điểm thực tế trường, tác giả lựa chọn sử dụng mơ hình thí nghiệm tính ngược từ độ võng đo bề mặt mái đê ép cứng 2.2.2.4 Thiết lập tương quan mô đun đàn hồi phịng mơ đun đàn hồi trường phần mềm R Để phân tích hai chuỗi số liệu thí nghiệm Etp Eht có tương quan hay khơng Sử dụng lý thuyết phân tích hồi quy tuyến tính, kiểm định hệ số tương quan xây dựng mơ hình hồi quy tuyến tính hai chuỗi số liệu thí nghiệm Bằng việc sử dụng phần mềm R sau: Từ giá trị hai chuỗi số liêu thí nghiệm Eht Etp Sử dụng R vẽ biểu đồ tán xạ liên hệ Eht~Etp Để “đo lường” mối liên hệ này, sử dụng hệ số tương quan Hệ số tương quan (r): Mơ hình hồi qui tuyến tính đơn giản: Mơ đun đàn hồi phịng xi mơ đun đàn hồi trường yi Mơ hình hồi tuyến tính: yi = α + βxi+ ε (2.15) -12- Giả định phân tích hồi qui tuyến tính Mơ hình tiên đốn Sau mơ hình tiên đốn kiểm tra tính hợp lí thiết lập, tiền hành vẽ đường biểu diễn mối liên hệ Etp Eht 2.3 Kết luận chương Việc xác định chiều sâu thâm nhập (ℓ), hàm phụ thuộc vào độ nhớt hỗn hợp asphalt (η) kích thước đá hộc (d) Cơng thức quan hệ ℓ = f (d,η) xác định theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm thí nghiệm Đề xuất mơ hình thí nghiệm mơ đun đàn hồi phịng mơ đun đàn hồi ngồi trường Làm sở thiết lập cơng thức tính tốn mơ đun đàn hồi trường Eht = f (Etp) việc sử dụng lý thuyết phân tích hồi quy tuyến tính, kiểm định hệ số tương quan xây dựng mơ hình hồi quy tuyến tính hai chuỗi số liệu thí nghiệm 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 3.1 Chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc Như chương nêu, chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc theo công thức : ℓ = f (d, η) (3.1) Trong nghiên cứu kết cấu bảo vệ mái đê biển, yếu tố ℓ, d η cần phải xác định xác định theo phương pháp quy hoạch thực nghiệm 3.1.1 Mơ tốn học Trong nghiên cứu sử dụng mơ hình qui hoạch thực nghiệm, phương trình hồi quy bậc hai với yếu tố ảnh hưởng độ nhớt hỗn hợp asphalt kích thước đá hộc đến chiều sâu thâm nhập Kích thước đá hộc (d): Loại đá hộc sử dụng phổ biến kết cấu bảo vệ mái đê biển Việt Nam có đường kính từ 10 ÷ 30 cm Độ nhớt hỗn hợp asphalt (η): Theo tài liệu tham khảo nước giới, độ nhớt vữa asphalt có khoảng biến thiên từ 30 ÷ 80 Pa.s Bảng 1- Khoảng biến thiên biến Trong luận án chọn hai biến: Z1 : Kích thước đá hộc (cm) ; Tên biến Z1 Z2 Z2 : Độ nhớt hỗn hợp asphalt (Pa.s) Zmax 30 80 Để xây dựng mơ hình tốn học biểu Zmin 10 30 thị ảnh hưởng độ nhớt hỗn hợp Ztb 20 55 asphalt (η), kích thước đá hộc (d) đến 10 25 Z chiều sâu thâm nhập (ℓ) Dựng hệ trục tọa độ Oxy với d, η biến thực X1, X2 biến mã tương ứng, hàm mục tiêu nghiên cứu chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc Mơ hình qui hoạch lựa chọn có dạng sau: Y = bo + b1x1 + b2x2 + b12x1x2 + b11x12 + b22x22 (3.2) n Số thí nghiệm N = + 2n + No = + 2x2 + = Để làm tăng tính xác mơ hình thu được, tiến hành thực nghiệm lần tâm kế hoạch nên tổng số thí nghiêm N = + = 13 Sơ đồ mã hóa mơ tả hình 3.1 -13- Bảng 2- Ma trận kế hoạch hóa thực nghiệm Biến thực X1X2 X1 X2 Z1 Z2 +1 +1 +1 10 30 +1 +1 +1 -1 30 30 -1 +1 -1 +1 10 80 -1 +1 -1 -1 30 80 +1 +1 -1.414 55 +1 +1.414 35 55 +1 -1.414 20 20 +1 +1.414 20 90 +1 0 20 55 10 +1 0 20 55 11 +1 0 20 55 12 +1 0 20 55 20 55 13 +1 0 N Xo Biến mã X12 X22 +1 +1 +1 +1 1 0 0 0 +1 +1 +1 +1 0 1 0 0 Hình 1- Sơ đồ kế hoạch thực nghiệm 3.1.2 Các yêu cầu mẫu thiết bị thí nghiệm Kích thước mẫu thí nghiệm: 600 mm x 600 mm x 700mm Số lượng mẫu: Ứng với kịch thí nghiệm, với cặp giá trị kích thước đá hộc độ nhớt tương ứng, cần đúc mẫu, tổng cộng 13 x = 39 mẫu Kết chiều sâu thâm thập giá trị trung bình mẫu thí nghiệm 3.1.3 Trình tự thí nghiệm Mỗi mẫu thí nghiệm tiến hành theo trình tự sau: Chuẩn bị khn mẫu, vật liệu, máy móc thiết bị phục vụ thí nghiệm→ Đổ đá hộc vào khuôn→ Trộn vật liệu hỗn hợp aspahlt→ Kiểm tra nhiệt độ hỗn hợp asphalt→ Kiểm tra độ nhớt hỗn hợp asphalt→ Rót hỗn hợp asphalt vào khuôn mẫu đổ đầy đá hộc → Xác định chiều sâu thâm nhập 3.1.4 Kết thí nghiệm Vật liệu sử dụng: Sử dụng vật liệu nghiên cứu đề tài [10] Xác định nhiệt độ trộn đúc mẫu: Thơng thường, nhựa 60/70 nhiệt độ trộn từ 155oC đến 160oC nhiệt độ rót hỗn hợp vữa asphalt vào đá hộc từ 145oC đến 150oC [10],[31] Hình 3.2-Một số trang thiết bị dụng cụ thí nghiệm Hình 3- Một số hình ảnh q trình thí nghiệm chiều sâu thâm nhập -14- Bảng 3.8- Kết thí nghiệm chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt N Xo 10 11 12 13 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 +1 Biến mã Biến thực X1 +1 +1 -1 -1 -1 +1 0 0 0 X2 +1 -1 +1 -1 0 -1 +1 0 0 Z1 10 30 10 30 35 20 20 20 20 20 20 20 Z2 30 30 80 80 55 55 20 90 55 55 55 55 55 Chiều sâu thâm nhập (cm) ℓ 20,6 67,5 15,7 47,7 07,8 69,2 38,9 21,3 26,8 28,5 26,3 27,7 28,4 * Đánh giá kết thí nghiệm Giá trị thí nghiệm phù hợp với quy luật sở lý thuyết Kích thước đá hộc lớn tạo khe rỗng viên đá hộc lớn khả thâm nhập hỗn hợp asphalt sâu (cùng η = 30 Pa.s, với d = 10cm → ℓ = 20,6cm, với d = 30cm → ℓ = 67,5cm) Với độ nhớt hỗn hợp asphalt nhỏ khả thâm nhập lớn (cùng d = 20cm, với η = 20 Pa.s → ℓ = 38,9 cm, với η = 55 Pa.s → ℓ = 26,3 - 28,5 cm) Sơ nhận thấy ảnh hưởng đường kính đá hộc đến chiều sâu thâm nhập lớn ảnh hưởng độ nhớt đến chiều sâu thâm nhập 3.1.5 Tìm phương trình thực nghiệm Sử dụng phần mềm Design Expert 11 để giải toán quy hoạch thực nghiệm, với số liệu thí nghiệm bảng 3.8 có kết bảng 3.9 Bảng 9- Mô hình kết phân tích ANOVA với hàm mục tiêu chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc (ℓ) Tổng bình Bậc tự Trung bình Giá trị F Giá trị p phương bình phương (F-value) (p-value) Mơ hình 4091,68 818,34 153,97 < 0,0001 Tin cậy A-Đường kính đá (d) 3433,42 3433,42 646,01 < 0,0001 B-Độ nhớt (η) 307,40 307,40 57,84 0,0001 AB 55,50 55,50 10,44 0,0144 A² 282,61 282,61 53,17 0,0002 B² 32,87 32,87 6,18 0,0418 Giá trị F 153,97 chứng tỏ mơ hình có ý nghĩa Kiểm định F mơ hình (F- test hay kiểm định Fisher) Giá trị Pvalue < 0,0001 nghĩa có nhỏ 0,01% thay đổi giá trị F phần nhiễu mà mơ hình khơng tính tốn Kết cho thấy độ tương thích tốt phương trình hồi quy so với số liệu thực nghiệm, từ cho thấy độ tin cậy thống kê cao Giá trị P nhỏ 0,0500 hệ số mơ hình có ý nghĩa Trong trường hợp A, B, AB, A², B² hệ số mơ hình có ý nghĩa Thống kê phù hợp Std Dev 2,31 R² 0,9910 Mean 32,80 Adjusted R² 0,9846 C.V % 7,03 Predicted R² 0,9410 Adeq Precision 37,4123 R² dự đoán 0,9410 phù hợp với R² điều chỉnh 0,9846; tức khác biệt nhỏ 0,2 Adeq Precision đo tín hiệu tỷ lệ nhiễu Một tỷ lệ lớn phù hợp Tỷ lệ 37,412 mơ hình cho thấy tín hiệu đầy đủ Mơ hình sử dụng tốt Yếu tố Các kết kiểm định cho thấy đắn mơ hình xây dựng Từ đó, biểu thức tốn học mơ tả mối quan hệ chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc biến d, η công thức (3.3) -15- ℓ = 19,37 + 0,342 d - 0,333 η - 0,015 d η + 0,064 d2 + 0,003 η (3.3) đó: ℓ - chiều sâu thâm nhập (cm) d- kích thước đá hộc (cm) η- độ nhớt hỗn hợp asphalt (Pa.s) Đây công thức quan hệ chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc độ nhớt hỗn hợp asphalt Ngồi cơng thức quan hệ (3.1), biến biểu thị giá trị tương quan theo dạng đồ thị Bề mặt biểu diễn ảnh hưởng độ nhớt hỗn hợp asphalt kích thước đá hộc đến chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc hình 3.4, hình 3.5 Bảng 3.10 tra giá trị chiều sâu thâm nhập biết độ nhớt Hình 4- Biểu đồ quan hệ chiều sâu thâm kích thước đá nhập với kích thước đá hộc độ nhớt, dạng 2D Bảng 3.10- Bảng tra chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc Độ nhớt η (Pa.s) 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 Chiều sâu thâm nhập ℓ (cm) d=10 d=15 d=20 d=25 d=30 (cm) (cm) (cm) (cm) (cm) 17,4 24,9 35,5 49,4 66,4 16,0 23,0 33,3 46,8 63,5 14,7 21,4 31,3 44,4 60,7 13,5 19,9 29,4 42,1 58,1 12,5 18,5 27,7 40,0 55,6 11,7 17,3 26,1 38,1 53,2 11,0 16,2 24,6 36,2 51,1 10,5 15,3 23,3 34,6 49,0 10,1 14,5 22,2 33,1 47,1 9,8 13,9 21,2 31,7 45,4 9,8 13,5 20,4 30,5 43,8 Hình 5- Biểu đồ quan hệ chiều sâu thâm nhập với kích thước đá hộc độ nhớt, dạng 3D 3.2 Mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc Như trình bày chương chương 2, mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển xác định để phục vụ tính tốn chiều dày kết cấu theo công thức (1.8) Việc xác định sử dụng theo phương pháp thực nghiệm, thí nghiệm hai chuỗi số liệu phịng trường Chuỗi số liệu thí nghiệm trường xác định mơ hình thực tế thi cơng đoạn đê biển Cồn Trịn - Hải Hậu - Nam Định [10] Chuỗi số liệu phịng xác định mẫu đúc hình trụ mơ giống với thực tế thi công trường Từ kết thí nghiệm xây dựng cơng thức thực nghiệm Eht = f (Etp) -16- 3.2.1 Xác định mơ đun đàn hồi phịng thí nghiệm 3.2.1.1 Chế tạo mẫu thí nghiệm Việc chế tạo mẫu hình trụ phịng thí nghiệm, mơ giống với thực tế thi công trường Để mô luận án thay đá hộc đá dăm 2x4 cm đổ tự nhiên vào khuôn đúc (tỷ lệ đá dăm thay tỷ lệ đá hộc thi công trường), tiến hành rót hỗn hợp asphalt (gồm cát, bột đá, nhựa đường) với tỷ lệ tỷ lệ sử dụng trường vào khuôn đúc, để hỗn hợp asphalt xâm nhập lấp đầy vào khe rỗng đá dăm khuôn cách tự nhiên (không dùng đầm) Hình 3.8- Một số hình ảnh trình đúc mẫu thí nghiệm phịng 3.2.1.2 Kết thí nghiệm Với điểm nhiệt độ thí nghiệm tiến hành đúc mẫu thí nghiệm với 12 tổ mẫu (mỗi tổ 03 viên) Kết thí nghiệm thể bảng 3.7 Hình 3.9- Một số hình ảnh q trình thí nghiệm mơ đun đàn hồi phịng Bảng 3.11- Tổng hợp giá trị thí nghiệm mơ đun đàn hồi phòng TT 10 11 12 Tổ mẫu T=15ºC M15-01 178,3 M15-02 197,4 M15-03 182,4 M15-04 192,8 M15-05 209,6 M15-06 175,7 M15-07 202,2 M15-08 185,6 M15-09 205,5 M15-10 176,8 M15-11 165,7 M15-12 199,2 Ētp 189,3 Mô đun đàn hồi phòng Etp (MPa) Tổ mẫu T=20ºC Tổ mẫu T=25ºC Tổ mẫu M20-01 161,9 M25-01 152,3 M30-01 M20-02 173,8 M25-02 143,4 M30-02 M20-03 150,6 M25-03 128,8 M30-03 M20-04 165,7 M25-04 150,5 M30-04 M20-05 143,3 M25-05 121,6 M30-05 M20-06 158,6 M25-06 146,4 M30-06 M20-07 170,3 M25-07 120,7 M30-07 M20-08 151,5 M25-08 156,3 M30-08 M20-09 148,9 M25-09 132,6 M30-09 M20-10 182,0 M25-10 147,8 M30-10 M20-11 155,7 M25-11 136,3 M30-11 M20-12 162,3 M25-12 137,6 M30-12 Ētp 160,4 Ētp 139,5 Ētp T=30ºC 110,5 109,6 121,4 97,8 105,2 113,3 109,7 126,7 98,5 115,3 127,5 103,6 111,6 Tổ mẫu T=35ºC M35-01 85,3 M35-02 72,6 M35-03 87,2 M35-04 90,7 M35-05 95,6 M35-06 82,6 M35-07 78,2 M35-08 86,8 M35-09 83,2 M35-10 75,2 M35-11 88,7 M35-12 78,1 Ētp 83,7 -17- * Đánh giá kết thí nghiệm Kết thí nghiệm Etp có giá trị trung bình từ 83,7 ÷ 189,3 MPa (tương ứng với T0tn từ 35 ÷ 150C), tương quan T0tn Etp phù hợp với quy luật, nhiệt độ cao mơ đun đàn hồi giảm Etp < E bê tông nhựa làm đường giao thơng thường biến đổi từ 225 ÷ 1800 MPa (tương ứng T0tn từ 30 ÷ 150C) với loại bê tông nhựa rỗng đến bê tông nhựa chặt Etp nhỏ phù hợp hỗn hợp asphalt chèn đá hộc sử dụng nhiều bi tum khoảng từ 14 ÷ 20%[31] so với bê tơng nhựa khoảng từ ÷ 7% [16] 3.2.2 Xác định mơ đun đàn hồi ngồi trường Hình 3.11- Hê thống chất tải máy đào Hình 3.12- Kích thủy lực Hình 3.13- Tấm ép cứng Hình 3.14- Đồng hồ đo biến dạng - Mô đun đàn hồi xác định theo công thức 3.4 [6] 𝜋 p.D.(1−𝜇2 ) 𝐸 = 1000 x x 𝐿 (3.4) - Thời điểm thí nghiệm Với điểm nhiệt độ T ≈ 15oC, thí nghiệm vào tháng Với điểm nhiệt độ T ≈ 20oC ÷ 25oC, thí nghiệm vào đầu tháng Với điểm nhiệt độ T ≈ 30oC ÷ 40oC, thí nghiệm cuối tháng đầu tháng - Kết thí nghiệm Bảng 3.12- Tổng hợp kết đo mô đun đàn hồi chung trường TT 10 11 12 Điểm đo HT - 01 HT - 02 HT - 03 HT - 04 HT - 05 HT - 06 HT - 07 HT - 08 HT - 09 HT - 10 HT - 11 HT - 12 TºC 15,6 16,2 15,0 15,1 15,5 15,0 16,6 15,0 15,6 15,7 14,9 15,1 Nhiệt độ thí nghiệm Mơ đun đàn hồi chung trường Ech(MPa) TºC Ech(MPa) TºC Ech(MPa) TºC Ech(MPa) TºC Ech(MPa) 166,8 20,3 155,0 25,5 148,9 30,6 139,6 36,7 98,7 158,9 22,1 152,0 27,0 141,1 32,1 127,7 36,2 118,8 168,0 20,5 146,2 25,9 139,3 30,2 135,3 35,0 125,2 149,8 19,8 161,7 24,7 152,5 29,5 135,5 36,5 116,9 165,4 21,2 155,0 24,5 145,6 30,0 131,2 37,8 134,9 174,7 22,0 146,7 25,0 145,9 30,7 139,5 35,0 116,9 159,7 20,6 151,6 26,9 139,7 31,6 130,6 35,1 123,8 163,6 19,5 156,4 25,0 144,5 30,3 130,4 35,9 117,3 158,8 21,7 154,7 26,1 150,3 29,9 142,0 34,5 130,7 170,2 20,0 163,1 23,0 160,2 31,4 125,7 38,0 108,2 197,1 22,3 147,7 26,1 145,4 30,0 144,6 35,0 127,1 169,6 21,8 149,4 25,5 142,5 30,8 133,1 36,8 95,8 -18- Ech - Mơ đun đàn hồi chung tốn kết cấu E2 - Mô đun đàn hồi lớp kết cấu vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc E1 - Mô đun đàn hồi lớp lọc đá dăm lót 1x2cm E0 - Mơ đun đàn hồi đất Hình 3.16- Chi tiết cấu tạo lớp kết cấu mái đê biển Từ Ech , Eo , E1 tính E2 tương ứng với nhiệt độ thí nghiệm thực tế trường Từ xác định E2 tương ứng với điểm nhiệt độ thí nghiệm thí nghiệm 150C, 200c, 250C, 300C, 350C Ta có bảng tổng hợp kết thí nghiệm Eht, bảng 3.14 *Đánh giá kết thí nghiệm Bảng 3.14- Tổng hợp kết thí nghiệm Eht Kết thí nghiệm Eht có giá lớp kết cấu vật liệu hỗn hợp asphalt trị trung bình từ 91,2 ÷ 202,6 chèn đá hộc MPa tương ứng với T tn từ 35 ÷ Điểm Mơ đun đàn hồi trường Eht (MPa) TT 0 15 C, tương quan T tn Eht đo T=15oC T=20oC T=25oC T=30oC T=35oC phù hợp với quy luật, nhiệt độ HT - 01 205,7 166,6 154,6 127,3 83,7 cao mơ đun đàn hồi HT - 02 192,5 173,4 134,7 119,6 90,6 giảm Giá trị Eht < E bê tông HT - 03 206,3 150,9 125,5 121,8 99,5 nhựa làm đường giao thông HT - 04 179,2 180,7 163,6 110,7 87,7 thường biến đổi từ 225 ÷ 1800 HT - 05 198,6 173,1 140,0 109,5 104,3 MPa tương ứng T0tn từ 30 ÷ 150C HT - 06 221,5 155,8 142,3 130,7 82,1 với loại bê tông nhựa rỗng đến HT - 07 203,7 170,3 126,5 123,5 93,3 bê tông nhựa chặt (bảng 1.4) HT - 08 189,1 168,4 138,9 111,3 88,6 Giá trị Eht nhỏ phù hợp HT - 09 193,5 171,8 159,2 133,9 100,5 hỗn hợp asphalt chèn đá 10 HT - 10 211,2 192,5 162,7 106,5 78,4 hộc sử dụng nhiều bi tum 11 HT - 11 220,8 155,9 140,8 139,1 103,2 khoảng từ 14 ÷ 20%[31] so với 12 HT - 12 209,1 167,2 128,8 124,9 82,8 bê tơng nhựa khoảng từ ÷ 7% GTTB Eht 202,6 168,9 143,1 121,6 91,2 [16] 3.2.3 Xây dựng công thức thực nghiệm xác định mô đun đàn hồi Từ giá trị hai chuỗi số liêu thí nghiệm Eht Etp , Sử dụng R vẽ biểu đồ tán xạ Eht~Etp(hình 3.20) Hệ số tương quan r = 0,99422 ( 1) có nghĩa hai biến số có mối liên hệ chặt chẽ, gần tuyệt đối Ngồi hệ số tương quan, cịn cho ta biết khoảng tin 95% có hệ số biến đổi từ 0,99031 đến 0,99656, số p < 2,2e-16 nhỏ Mơ hình hồi qui tuyến tính đơn giản: ŷi = 1,061 xi (3.6) Mơ hình tiên đốn: Sau mơ hình tiên đốn kiểm tra tính hợp lí thiết lập, vẽ đường biểu diễn mối liên hệ mô đun đàn hồi trường mơ đun đàn hồi phịng Đường biểu diễn mối liên hệ Eht Etp (hình 3.21) -19- Hình 20 - Biểu đồ tán xạ Eht Etp Hình 3.22- Đường biểu diễn mối liên hệ Eht Et - Kết luận : Với việc sử dụng phần mềm R để kiểm định mối quan hệ Ehtvà Etp xác định hai thơng số có mối tương quan chặt chẽ, gần tuyệt đối Thông qua phương trính tuyến tính ŷi = 1,061 xi Vì mối quan hệ tương quan Eht Etp vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc cho kết cấu mái đê biển với điều kiện thí nghiệm nêu theo phương trình Eht = 1,061 Etp (3.7) 3.3 Kết luận chương • Trên sở phân tích yếu tố ảnh hưởng đến chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc, sử dụng phương pháp quy hoạch thực nghiệm để xây dựng thiết lập công thức quan hệ, xác định yếu tố ảnh hưởng gồm: kích thước đá hộc độ nhớt hỗn hợp asphalt, khoảng biến thiên yếu tố ảnh hưởng, kịch thí nghiệm tiến hành thí nghiệm theo kịch bản, sử dụng phần mềm Design Expert 11 tìm cơng thức tính tốn chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc: ℓ = 19,37 + 0,342 d - 0,333 η - 0,015 d η + 0,064 d2 + 0,003 η Công thức thể quan hệ chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc độ nhớt hỗn hợp asphalt Qua xác định độ nhớt yêu cầu để thiết kế cấp phối hỗn hợp asphalt chèn đá hộc Mối quan hệ chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc độ nhớt hỗn hợp asphalt thể qua hệ thống biểu đồ (3.4), (3.5), (3.6) (3.7) • Tác giả phân tích yếu tố ảnh hưởng đến mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển, làm sở khoa học cho việc mô thí nghiệm tương tự phịng thí nghiệm, sử dụng cơng cụ tốn học gồm phần mềm excel, phần mềm R để đánh giá tương quan kết khẳng định giá trị mô đun đàn hồi -20- trường mơ đun đàn hồi phịng kết cấu bảo vệ mái đê biển có tương quan với thông qua công thức: Eht = 1,061 Etp Kết nghiên cứu xây đựng phương pháp thí nghiệm xác định mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển phịng thí nghiệm với kết tương tự thí nghiệm trường, làm sở cho việc kiểm định tính tốn chiều dày lớp gia cố mái đê biển vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc CHƯƠNG 4: ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN HẢI HẬU - NAM ĐỊNH 4.1 Đặc điểm đoạn đê biển thi cơng thử nghiệm Ví trí đoạn đê thi công thử nghiệm từ K21+003 - K21+058 thuộc đê Cồn Tròn - Hải Hậu - Nam Định, hình 4.1 hình 4.2 Hình 1- Vị trí đoạn đê biển nghiên cứu Hình 2- Hiện trạng hư hỏng đê biển [13] - Phương án sửa chữa đoạn đê biển Cồn Tròn- Hải Hậu - Nam Định sau: Thay lớp cấu kiện bê tông lục giác mái đê phía biển bị hư hỏng lớp gia cố sử dụng vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc Phạm vi từ K21+003 - K21+058, từ cao trình -0,5 đến +2,1m, hình 4.3 a Tháng năm 2017 b Tháng năm 2020 Hình 3- Đoạn đê sau thi cơng thử nghiệm 4.2 Ứng dụng kết nghiên cứu xác định mơ đun đàn hồi tính tốn thiết kế kết cấu bảo vệ mái đê biển vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc 4.2.1 Xác định điều kiện biên Theo [7], cao trình đỉnh đê khơng cho phép sóng tràn qua xác định theo cơng thức 4.1: Zđ = Ztkp + Rslp + a + b (4.1) Thay số vào cơng thức (4.4) (4.5) tính được: Hs = 0,93 m; Tp = 3,91 s; Ls = 23,1 m Thay vào cơng thức tính sóng leo: Rslp = 1,7m Thay vào cơng thức (4.1) ta có: Zđ = +5,5 m -21- 4.2.2 Tính tốn chiều dày lớp giá cố 4.2.2.1 Phương pháp tra biểu đồ Với m = ; Hs = 0,93m; đất đắp thân đê Hải Hậu loại đất cát đầm nện tốt với mô đun phản lực đê c = 1.108 N/m3 (bảng 20.3 tài liệu [31]) ta có chiều dày lớp bảo vệ mái đê h = 0,15 m Hình 4- Quan hệ chiều dày, phản lực độ cao sóng tiêu chuẩn, mái dốc đê lớp gia cố vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc [31] 4.2.2.2 Ứng dụng kết nghiên cứu tính tốn chiều dày lớp gia cố phương pháp giải tích Sau có kết nghiên cứu, kiểm tra tính tốn lại chiều dày lớp gia cố đoạn đê biển ứng dụng Hải Hậu, Nam Định [10] phương pháp giải tích (cơng thức 1.8) Ta có mơ đun đàn hồi phịng nhiệt độ thí nghiệm T = 20 0C là: Etp = 160,4 MPa ( kết thí nghiệm mẫu phịng) Theo cơng thức 3.7: Eht = 1,061 Etp = 170,2 106 N/m2 Thay giá trị tính tốn vào cơng thức 1.8, tính chiều dày lớp gia cố FGSA cho mái đê biển Hải Hậu, Nam Định: h ≈ 0,28 m Giá trị tính tốn chiều dày lớp gia cố h ≈ 0,28 m, để thuận tiện cho việc thi công chọn h = 0,3m 4.2.3 Kiểm tra điều kiện an tồn lớp gia cố Kết tính tốn chiều dày lớp gia cố mái đê biển Theo phương pháp tra biểu đồ h = 0,15 m Theo phương pháp công thức giải tích h = 0,3 m 4.2.3.1 Kiểm tra điều kiện an toàn lớp gia cố chịu tác động sóng dội vào Theo cơng thức: 𝜑 2/3 𝜉𝑧 ≤ 𝐻𝑠 (4.9) 𝛥𝑑 Cả hai trường hợp sóng dội vào lớp gia cố (với chiều dày 0,3m 0,15m) không bị đẩy cong cục khối nước thân đê khơng tiêu kịp 4.2.3.2 Kiểm tra tính tốn áp lực đẩy nổi, trượt a - Kiểm tra chiều dày thiết kế đảm bảo tiêu chuẩn trượt Trương hợp chiều dày gia cố h = 0,3m Thay số liệu vào công thức (4.12) ℎ≥ 𝜎𝑤0 𝑓 𝜌𝑎 𝑔(𝑓 𝑐𝑜𝑠 𝛼−𝑠𝑖𝑛 𝛼) = 4631×0,839 2300×9,81(0,839×0,97−0,242) = 0,30𝑚, khơng bị trượt Trương hợp chiều dày gia cố h = 0,15m Thay số liệu vào công thức (4.12) ℎ ≥ 𝜎𝑤0 𝑓 𝜌𝑎 𝑔(𝑓 𝑐𝑜𝑠 𝛼−𝑠𝑖𝑛 𝛼) = 3169×16939 2300×3001(0,839×0,97−0,242) = 0,21m, bị trượt -22- b - Kiểm tra chiều dày thiết kế đảm bảo tiêu chuẩn đẩy Trương hợp chiều dày gia cố h = 0,3 m Thay vào công thức (4.13): 𝜎𝑤0 4631 ℎ≥ = = 0,21𝑚, mái đê không bị đẩy 𝜌𝑎 𝑔.𝑐𝑜𝑠𝛼 2300𝑥9,81𝑥0,97 𝜌𝑎 𝑔.𝑐𝑜𝑠𝛼 2300𝑥9,81𝑥0,97 Trương hợp chiều dầy gia cố h = 0,15m Thay vào công thức (4.13): 𝜎𝑤0 3169 ℎ≥ = = 0,14m, mái đê bị đẩy Sau kiểm tra lại điều kiện an toàn, xác định chiều dày kết cấu lớp gia cố vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc áp dụng cho đoạn đê thử nghiệm Hải Hậu, Nam Định h = 0,3m 4.2.4 So sánh, đánh giá kết nghiên cứu Chiều dày lớp gia cố mái đê biển xác định theo hai phương pháp: - Phương pháp tra biểu đồ theo nghiên cứu trước sử dụng [10],[31] tính tốn chiều dày h = 0,15m - Phương pháp sử dụng cơng thức giải tích ứng dụng kết nghiên cứu luận án tính tốn chiều dày h = 0,3m Kết tính tốn kiểm tra an tồn lớp gia cố chịu tác động sóng dội vào kiểm tra điều kiện đẩy nổi, trượt chiều dày lớp gia cố h = 0,3m đảm bảo điều kiện an toàn Qua kết nghiên cứu tính tốn nhận thấy việc xác định chiều dày lớp gia cố bảo vệ mái đê biển phương pháp tra biểu đồ nghiên cứu áp dụng trước có độ sai số lớn ( h = 0,15m) so với kết kiểm tra giá trị thực tế (h = 0,3m) Kết tính tốn chiều dày lớp gia cố cơng thức giải tích cho kết có độ xác cao (h = 0,3m), đảm bảo điều kiểm kiểm tra an toàn giá trị thực tế Vì kết luận kết nghiên cứu xác định E sử dụng cho tính tốn chiều dày kết cấu theo cơng thức (1.8) xác phù hợp kết thực tế 4.3 Ứng dụng kết nghiên cứu xác định chiều sâu thâm nhập so sách, đánh giá với kết nghiên cứu đề tài ĐTĐL.2012-T/06 4.3.1 Mơ hình thi cơng thử nghiệm Từ kết tính tốn thiết kế kết cấu bảo vệ mái đê biển vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc với cấu tạo hình 4.10: Hình 10- Mặt cắt kết cấu bảo vệ mái đê biển -23- Bảng 1- Kết thí nghiệm tiêu chất lượng hỗn hợp asphalt [10] TT Ký hiệu/ngày thí nghiệm Hình 11- Sơ đồ bố trí mặt thi cơng [10] 10 11 12 M2/4-6-2015 M5/5-6-2015 M3/6-6-2015 M5/7-6-2015 M4/8-6-2015 M2/9-6-2015 M3/10-6-2015 M1/11-6-2015 M2/12-6-2015 M6/13-6-2015 M5/14-6-2015 M4/15-6-2015 Độ nhớt (Pa.s) Nhiệt Thí độ (0C) nghiệm 145 37 154 30 152 39 148 34 151 30 153 45 149 32 150 32 153 29 146 36 148 42 151 31 4.3.2 So sánh đánh giá độ nhớt nghiên cứu luận án với kết nghiên cứu đề tài ĐTĐL.2012-T/06 + Giá trị độ nhớt xác định từ công thức (3.3) Với chiều dày kết cấu bảo vệ mái đê biển h = 0,3m, m = (kết cấu mái nghiêng m = → chiều thẳng đứng từ xuống  0,31m, hỗn hợp asphalt thâm nhập hết chiều dày đá hộc 0,3m) Tra bảng (3.10), với giá trị ℓ = 0,31 m; d = 20cm → ƞ= 40 Pa.s + Giá trị độ nhớt từ kết nghiên cứu thử nghiệm đề tài [10] Kết nghiên cứu mơ hình thử nghiệm đề tài [10] có giá trị độ nhớt là: ƞ = 29 ÷ 45 Pa.s + Đánh giá kết nghiên cứu luận án với kết nghiên cứu [10] Giá trị độ nhớt yêu cầu xác định từ kết nghiên cứu (3.3) ƞ= 40 Pa.s nằm khoảng giá trị độ nhớt mơ hình thử nghiệm đề tài [10] ƞ = 29 ÷ 45 Pa.s Thơng qua kết so sánh đánh giá kết luận giá trị độ nhớt xác định thông qua công thức (3.3) thuận lợi cho người sử dụng, giá trị độ nhớt tìm phù hợp với thực tế triển khai trường 4.4 Kết luận chương Đoạn đê thi công thử nghiệm đê biển Hải Hậu, Nam Định [10] mơ hình thí nghiệm mơ đun đàn hồi trường phục vụ cho nghiên cứu xác định mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển, sở để so ánh, đánh giá kết nghiên cứu xác định chiều sâu thâm nhập mô đun đàn hồi luận án cho thấy - So sánh kết tính tốn chiều dày lớp kết cấu bảo vệ mái [10] mơ hình với kết tính tốn chiều dày theo cơng thức giải tích luận án nghiên cứu, từ đánh giá kết nghiên cứu xác định mơ đun đàn hồi phù hợp với thực tế - Kết nghiên cứu xác định chiều sâu thâm nhập độ nhớt hỗn hợp asphalt luận án so sánh đánh giá với kết nghiên cứu độ nhớt mơ hình thử nghiệm [10] khẳng định kết nghiên cứu hoàn toàn phù hợp với thực tế -24- KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Kết luận Kết cấu bảo vệ mái đê biển vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc ứng dụng nhiều nước giới, đặc biệt Hà Lan Qua nghiên cứu cho thấy tính khả thi phù hợp với đê biển nước ta Trong phạm vi nghiên cứu đưa đóng góp khoa học với kết cấu bảo vệ mái đê biển loại đá hộc có sử dụng hỗn hợp asphalt bao bọc là: - Nghiên cứu yếu tố ảnh hưởng, xây dựng thiết lập mối quan hệ chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc độ nhớt hỗn hợp asphalt thông qua công thức thực nghiệm xác định chiều sâu thâm nhập: ℓ = 19,37 + 0,342 d - 0,333 η - 0,015 d η + 0,064 d2 + 0,003 η2 Quan hệ chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt với kích thước đá hộc độ nhớt hỗn hợp asphalt thể qua hệ thống biểu đồ bảng tra Theo xác định chiều sâu thâm nhập, độ nhớt u cầu hỗn hợp asphalt để tính tốn cấp phối kiểm sốt q trình thi cơng - Đề xuất mơ hình thí nghiệm mơ đun đàn hồi phòng trường kết cấu bảo vệ mái đê biển Xây dựng thiết lập quan hệ mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển phịng thí nghiệm trường theo công thức: Eht = 1,061 Etp Qua xác định mơ đun đàn hồi để kiểm định tính tốn thiết kế chiều dày kết cấu bảo vệ mái đê biển cơng thức giải tích (1.8) - Kết nghiên cứu ứng dụng để tính tốn, kiểm chứng cơng trình thử nghiệm Hải Hậu, Nam Định cho kết phù hợp với thực tiễn Những tồn tại, hạn chế Trong khuôn khổ luận án, tác giả nghiên cứu loại kết cấu bảo vệ mái đê biển vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc, sử dụng cho dạng mái nghiêng m = ÷ đê phía biển, với loại vật liệu đá hộc có nguồn gốc đá vơi khai thác Ninh Bình sử dụng phổ biến xây dựng mái đê biển khu vực tỉnh phía Bắc Kiến nghị Đối với hình dạng mặt cắt đê biển: Tiếp tục nghiên cứu với mặt cắt đê biển có mái nghiêng ngồi phạm vi m = ÷ 4, để mở rộng khả ứng dụng đa dạng cho hầu hết tuyến đê biển xây dựng nước Với vật liệu đá hộc sử dụng: Mở rộng phạm vi nghiên cứu loại vật liệu đá hộc có nguồn gốc khác khai thác nhiều vùng miền nước, để thuận lợi cho việc sử dụng Vật liệu hỗn hợp asphalt sử dụng cho kết cấu bảo vệ mái đê biển lần áp dụng mơ hình thử nghiệm Việt Nam, cần tiếp tục có nghiên cứu đánh giá tính bền loại vật liệu theo thời gian DANH MỤC CƠNG TRÌNH ĐÃ CƠNG BỐ Nguyễn Thanh Bằng, Nguyễn Mạnh Trường, Vũ Xuân Thủy (2015) “Một số kết tính tốn kết cấu lớp gia cố mái đê biển sử dụng vật liệu hỗn hợp Asphalt chèn hộc đê biển Cồn Tròn - Hải Thịnh, Hải Hậu, Nam Định”, Tạp chí Khoa học công nghệ Thủy lợi (ISSN:1859-4255), số 26 tháng 04-2015, tr 2129 Nguyễn Mạnh Trường, Đinh Anh Tuấn (2017), “Khả ứng dụng kết cấu mái đê biển Việt Nam vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc”, Tạp chí Tài nguyên nước (ISSN:1859-3771), số 01 tháng 01-2017, tr 36-46 Nguyễn Mạnh Trường (2019), “Nghiên cứu phương pháp xác định mô đun đàn hồi vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc cho kết cấu bảo vệ mái đê biển”, Tạp chí Khoa học công nghệ Thủy lợi (ISSN:1859-4255), số 52 tháng 012019, tr 65-75 Nguyễn Mạnh Trường (2019), “Nghiên cứu quan hệ chiều sâu thâm nhập với kích thước đá hộc độ nhớt vật liệu hỗn hợp asphalt chèn đá hộc cho kết cấu bảo vệ mái đê biển”, Tạp chí Khoa học cơng nghệ Thủy lợi (ISSN:1859-4255), số 53 tháng 04-2019, tr 52-63 ... ĐÁ HỘC VÀ MÔ ĐUN ĐÀN HỒI CỦA KẾT CẤU BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN 3.1 Chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc Như chương nêu, chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc theo... ? ?Nghiên cứu xác định chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt vào khe rỗng đá hộc mô đun đàn hồi kết cấu bảo vệ mái đê biển? ?? Mục tiêu nghiên cứu Thiết lập mối quan hệ chiều sâu thâm nhập hỗn hợp asphalt. .. -6- khe rỗng đá hộc mà chiều sâu phụ thuộc vào độ nhớt yêu cầu hỗn hợp asphalt kích thước đá hộc sử dụng, kết cấu bảo vệ mái đê biển 1.4.2 Mô đun đàn hồi kết cấu mái đê biển vật liệu hỗn hợp asphalt