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

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 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT HÀ NỘI, NĂM 2018 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 Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình thủy Mã số: 62580202 NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS. Nguyễn Hữu Huế NGND.GS.TS. Lê Kim Truyền HÀ NỘI, NĂM 2018 LỜI CAM ĐOAN Tác giả xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của bản thân tác giả. Các kết quả nghiên cứu và các kết luận trong Luận án là trung thực, không sao chép từ bất kỳ một nguồn nào và dưới bất kỳ hình thức nào. Việc tham khảo các nguồn tài liệu đã được thực hiện trích dẫn và ghi nguồn tài liệu tham khảo đúng quy định. Tác giả luận án Đặng Công Hưởng i LỜI CÁM ƠN Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến PGS.TS NGUYỄN HỮU HUẾ và NGND.GS.TS LÊ KIM TRUYỀN là các thầy hướng dẫn trực tiếp tác giả thực hiện Luận án. Xin cám ơn các thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ, hướng dẫn, giúp đỡ trong thời gian tác giả thực hiện Luận án. Tác giả xin trân trọng cám ơn các Nhà khoa học trong và ngoài Trường Đại học Thủy lợi đã có nhiều đóng góp quý báu, chân tình và thẳng thắn để tác giả hoàn thành Luận án. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn đến Trường Đại học Thủy lợi, Khoa Công trình, Viện Kỹ thuật công trình, Phòng Đào tạo Đại học và Sau đại học, Bộ môn Công nghệ và Quản lý xây dựng, các phòng ban của Trường đã có những giúp đỡ, tạo điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình. Tác giả xin trân trọng cám ơn Tỉnh ủy Bắc Ninh, UBND tỉnh Bắc Ninh, Sở Nông nghiệp và PTNT tỉnh Bắc Ninh và các đơn vị của Sở đã tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tác giả trong quá trình nghiên cứu và công tác. Tác giả xin cám ơn các bạn đồng nghiệp, các thầy cô Trường Đại học Giao thông vận tải, Đại học Mỏ - Địa chất, Công ty Cổ phần tư vấn kiểm định giao thông - xây dựng và thi công xây dựng, Công ty Cổ phần xây dựng dịch vụ và thương mại 68, Công ty Cổ phần xây dựng thủy lợi Hải Dương, Nhà máy Nhiệt điện Đông Triều đã phối hợp, giúp đỡ, tạo điều kiện trong quá trình tác giả nghiên cứu. Tác giả xin cám ơn các bạn đồng nghiệp, bạn bè trong và ngoài nước đã giúp đỡ, động viên tác giả nghiên cứu. Cuối cùng, tác giả xin cám ơn gia đình đã luôn động viên, khích lệ, là chỗ dựa vững chắc để tác giả hoàn thành việc nghiên cứu của mình. ii MỤC LỤC DANH MỤC HÌNH ẢNH ..............................................................................................vi DANH MỤC BẢNG BIỂU .............................................................................................x DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .............................................................................. xii MỞ ĐẦU .........................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài...........................................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ...............................................................................................2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...........................................................................2 3.1. Đối tượng ..........................................................................................................2 3.2. Phạm vi nghiên cứu ..........................................................................................2 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu..............................................................2 4.1. Cách tiếp cận ....................................................................................................2 4.2. Phương pháp nghiên cứu ..................................................................................3 5. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của Luận án ................................................................3 5.1. Ý nghĩa lý luận .................................................................................................3 5.2. Ý nghĩa thực tiễn ..............................................................................................3 6. Cấu trúc của Luận án ...............................................................................................3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÊ SÔNG KẾT HỢP GIAO THÔNG ..4 1.1 Quá trình hình thành và phát triển hệ thống đê sông.............................................4 1.1.1 Trên thế giới ...................................................................................................4 1.1.2 Ở Việt Nam.....................................................................................................6 1.2 Hệ thống đê sông tỉnh Bắc Ninh .........................................................................11 1.2.1 Đặc điểm thủy văn, sông ngòi và địa chất công trình ..................................12 1.2.2 Quy định về tiêu chuẩn phòng lũ đối với các tuyến đê sông tỉnh Bắc Ninh 17 1.2.3 Cao trình đỉnh đê hiện trạng các tuyến đê sông tỉnh Bắc Ninh ....................19 1.2.4 Quy hoạch hệ thống đê sông kết hợp làm đường giao thông tỉnh Bắc Ninh19 1.3 Các nghiên cứu ở trong và ngoài nước về đê kết hợp giao thông .......................21 1.3.1 Nghiên cứu ở trong nước ..............................................................................21 1.3.2 Nghiên cứu của nước ngoài ..........................................................................22 1.4 Sử dụng chất kết dính để gia cố đất trên thế giới và Việt Nam...........................25 iii 1.4.1 Nghiên cứu, sử dụng xi măng gia cố đất trên thế giới .................................25 1.4.2 Nghiên cứu, sử dụng xi măng gia cố đất ở Việt Nam ..................................27 1.5 Những vấn đề đặt ra cho nghiên cứu đê kết hợp giao thông ...............................29 1.6 Kết luận chương 1 ...............................................................................................33 CHƯƠNG 2 CƠ SỞ KHOA HỌC ĐỂ CẢI THIỆN ĐẤT THÂN ĐÊ ĐẢM BẢO YÊU CẦU CHỐNG LŨ VÀ KẾT HỢP GIAO THÔNG ......................................................34 2.1 Các giải pháp gia cố đất hiện nay ........................................................................34 2.1.1 Giải pháp thay thế nền ..................................................................................34 2.1.2 Các giải pháp cơ học ....................................................................................35 2.1.3 Các giải pháp hóa học ..................................................................................37 2.1.4 Các phương pháp vật lý gia cố đất ...............................................................37 2.1.5 Các giải pháp thủy lực học ...........................................................................37 2.2 Cơ sở khoa học lựa chọn cấp phối và vật liệu gia cố đất thân đê........................39 2.2.1 Lý thuyết đường cong cấp phối ....................................................................39 2.2.2 Phương pháp lấy mẫu và đánh giá chất lượng mẫu gia cố ...........................42 2.2.3 Nghiên cứu sử dụng xi măng kết hợp tro bay để gia cố đất .........................44 2.3 Kết luận chương 2 ...............................................................................................52 CHƯƠNG 3 NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XÁC ĐỊNH CÁC GIẢI PHÁP GIA CỐ ĐÊ KẾT HỢP LÀM ĐƯỜNG GIAO THÔNG ......................................................53 3.1 Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng .................................................................53 3.1.1 Vật liệu và thành phần của lớp đất thân đê gia cố ........................................53 3.1.2 Kết quả thí nghiệm trong phòng và phân tích lớp đất thân đê gia cố...........56 3.1.3 Vật liệu và thành phần của cấp phối đá dăm gia cố .....................................68 3.1.4 Kết quả thực nghiệm trong phòng và phân tích cấp phối đá dăm gia cố .....71 3.2 Nghiên cứu thực nghiệm ngoài hiện trường ........................................................74 3.2.1 Nghiên cứu thực nghiệm gia cố lớp đất thân đê ...........................................74 3.2.2 Thực nghiệm hiện trường xác định hệ số thấm ............................................93 3.2.3 Đánh giá tác động của hỗn hợp đất gia cố đối với môi trường ....................97 3.2.4 Kết quả thực nghiệm hiện trường lớp cấp phối đá dăm gia cố tro bay và xi măng ......................................................................................................................99 3.3 Kết luận chương 3 .............................................................................................105 iv CHƯƠNG 4 ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CHO ĐÊ HỮU ĐUỐNG, TỈNH BẮC NINH .......................................................................................................107 4.1 Giới thiệu đoạn đê hữu Đuống từ Km21+600÷Km31+500 ..............................107 4.2 Áp dụng kết quả nghiên cứu cho đê hữu Đuống, Bắc Ninh ..............................108 4.3 Kiểm tra lại sự phù hợp của kết cấu đề xuất theo quyết định 3230/QĐ-BGTVT .................................................................................................................................109 4.3.1 Tính toán modul đàn hồi chung Et của nền đất và của móng dưới bằng vật liệu hạt .................................................................................................................111 4.3.2 Tính độ cứng tương đối chung của cả kết cấu Rg .......................................111 4.3.3 Tính ứng suất do tải trọng trục xe gây ra ...................................................112 4.3.4 Tính ứng suất kéo uốn do gradient nhiệt độ gây ra ....................................114 4.3.5 Kiểm tra các điều kiện tới hạn ....................................................................115 4.4 Phân tích ổn định của đê với kết cấu mặt đường đề xuất so với kết cấu mặt đường theo yêu cầu của ngành giao thông ..............................................................116 4.4.1 Phân tích ổn định đê với kết cấu truyền thống ...........................................116 4.4.2 Phân tích ổn định đê với kết cấu đề xuất ....................................................123 4.4.3 So sánh kết quả tính toán giữa hai loại mặt cắt đê .....................................128 4.5 So sánh giá thành xây dựng giữa hai phương án ...............................................128 4.6 Công tác tổ chức thi công lớp đất thân đê gia cố làm nền thượng trong kết cấu áo mặt đường đê ...........................................................................................................130 4.6.1 Công tác chuẩn bị .......................................................................................130 4.6.2 Công tác tổ chức thi công lớp đất gia cố tro bay và xi măng .....................131 4.6.3 Nghiệm thu lớp đất gia cố ..........................................................................132 4.7 Kết luận chương 4 .............................................................................................132 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .....................................................................................134 DANH MỤC CÔNG TRÌNH ĐÃ CÔNG BỐ ............................................................136 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...........................................................................................137 PHỤ LỤC ....................................................................................................................142 PHỤ LỤC 1: PHỤ LỤC HÌNH ẢNH THÍ NGHIỆM TRONG PHÒNG VÀ THỰC NGHIỆM NGOÀI HIỆN TRƯỜNG ĐÊ HỮU ĐUỐNG, TỈNH BẮC NINH PHỤ LỤC 2: PHỤ LỤC TÍNH TOÁN GIÁ THÀNH XÂY DỰNG 1KM ĐÊ CỦA PHƯƠNG ÁN TRUYỀN THỐNG (PA1) VÀ PHƯƠNG ÁN ĐỀ XUẤT (PA2) v DANH MỤC HÌNH ẢNH Hình 1.1 Hệ thống các tuyến đê của Hà Lan ...................................................................4 Hình 1.2 Đập ngăn triều Maeslant Hà Lan (nguồn: internet) ..........................................5 Hình 1.3 Đê an toàn cao ở Nhật Bản (nguồn: internet) ...................................................6 Hình 1.4 Các đê sông trong vùng đồng bằng sông Hồng (nguồn: internet) ....................9 Hình 1.5 Sơ họa hệ thống đê điều tỉnh Bắc Ninh ..........................................................12 Hình 1.6 Mặt cắt ngang địa tầng đại diện của đê hữu Đuống đoạn từ Km21+600÷Km30+300 ................................................................................................14 Hình 1.7 Mặt cắt ngang địa tầng đại diện của đê tả Đuống đoạn từ Km24+300÷Km28+500 ................................................................................................15 Hình 1.8 Mặt cắt ngang địa tầng đại diện của đê hữu Thái Bình đoạn từ Km0+00÷Km4+800 ......................................................................................................16 Hình 1.9 Mặt cắt ngang địa tầng đại diện của đê hữu Cầu đoạn từ Km37+950÷Km69+500 ................................................................................................17 Hình 1.10 Đường giao thông trên đê sông Đuống ........................................................20 Hình 1.11 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1915 đến 1945 ........................................................21 Hình 1.12 Đê Hà Nội giai đoạn từ 1945 đến 2000 ........................................................21 Hình 1.13 Đê Hà Nội giai đoạn từ 2000 đến 2010 ........................................................22 Hình 1.14 Các dạng mặt cắt ngang đê đa mục tiêu cho các khu vực khác nhau ...........23 Hình 1.15 Đồ thị ảnh hưởng của hàm lượng xi măng đến cường độ nén .....................28 Hình 1.16 Ảnh hưởng của các thành phần hạt trong đất đến cường độ đất + xi măng...........29 Hình 1.17 Phạm vi tác dụng của tải trọng bánh xe........................................................29 Hình 1.18 Sơ đồ cấu tạo mặt đường bê tông xi măng thông thường có khe nối ...........30 Hình 1.19 Sơ đồ các tầng, lớp của kết cấu nền - áo đường ...........................................30 Hình 2.1 Sử dụng đầm rơi để làm chặt đất trên mặt (nguồn: internet)..........................35 Hình 2.2 Sử dụng đầm lăn để làm chặt đất trên mặt (nguồn: internet) .........................36 Hình 2.3 Làm chặt đất bằng phương pháp đầm rung (nguồn: internet) ........................36 Hình 2.4 Xử lý đất yếu bằng công nghệ bấc thấm kết hợp cố kết chân không .............38 Hình 2.5 Đường cong Fuller với các hệ số h khác nhau ...............................................41 Hình 2.6 Xác suất phủ xung quanh giá trị có chứa giá trị thực với mức ý nghĩa =0,10 .......43 Hình 2.7 Ảnh chụp sau ống phóng của một kính hiển vi điện tử quét (SEM) phát hiện cấu trúc mặt cắt ngang của các hạt tro bay ở độ phóng đại 750 lần (nguồn: internet) ..44 vi Hình 3.1 Lượng lọt sàng của hỗn hợp đất ĐHĐ và 0% tro bay ....................................59 Hình 3.2 Lượng lọt sàng của hỗn hợp đất ĐHĐ và 10% tro bay ..................................59 Hình 3.3 Lượng lọt sàng của hỗn hợp đất ĐHĐ và 15% tro bay ..................................59 Hình 3.4 Lượng lọt sàng của hỗn hợp đất ĐHĐ và 20% tro bay ..................................60 Hình 3.5 Mối quan hệ giữa CBR và dung trọng khô lớn nhất với các mẫu 10; 30 và 65 chày đầm của đất thân đê...............................................................................................61 Hình 3.6 Biểu đồ so sánh giữa cường độ chịu nén bão hòa và cường độ chịu nén không bão hòa của các loại hỗn hợp đất gia cố ở tuổi 14 ngày ................................................67 Hình 3.7 Biểu đồ quan hệ giữa cường độ chịu ép chẻ và loại đất gia cố theo tuổi 14 ngày ....67 Hình 3.8 Biểu đồ quan hệ giữa modul đàn hồi và loại đất gia cố theo tuổi 14 ngày ....67 Hình 3.9 Biểu đồ thành phần hạt cấp phối đá dăm........................................................70 Hình 3.10 Biểu đồ quan hệ giữa % tro bay với cường độ chịu nén ở tuổi 14 ngày ......73 Hình 3.11 Biểu đồ quan hệ giữa % tro bay với cường độ chịu kéo khi ép chẻ ở tuổi 14 ngày .......................................................................................................................................73 Hình 3.12 Biểu đồ quan hệ giữa % tro bay với modul đàn hồi ở tuổi 14 ngày ...................73 Hình 3.13 Mặt cắt ngang hiện trạng đê hữu Đuống ......................................................75 Hình 3.14 Máy xúc đào đất tại chỗ từ thân đê cũ tận dụng để gia cố ...........................75 Hình 3.15 Giá trị sức chịu tải CBR thân đê hiện trạng sau khi đào đến cao trình gia cố .......................................................................................................................................77 Hình 3.16 Modul đàn hồi của thân đê hiện trạng sau khi đào đến cao trình gia cố ......77 Hình 3.17 Máy phay làm tơi xốp đất đào thân đê .........................................................78 Hình 3.18 Sơ đồ mặt bằng các ô thi công thực nghiệm lần 1........................................79 Hình 3.19 Độ chặt của nền đất ở các vị trí gia cố lớp 1 với các lần lu lèn ....................81 Hình 3.20 Modul đàn hồi của lớp đất sau khi rải các lớp đất gia cố (lớp 1) .................83 Hình 3.21 CBR của các điểm đo trên các tấm lớp đất gia cố (lớp 1) ............................83 Hình 3.22 Công tác khoan lấy mẫu đất tại hiện trường.................................................84 Hình 3.23 Công tác bảo dưỡng mẫu đất tại hiện trường ...............................................84 Hình 3.24 Máy đo CBR controls model 70-T0108/E ...................................................84 Hình 3.25 Mối quan hệ giữa lực và biến dạng tương ứng với các mẫu 10, 30 và 65 chày đầm ........................................................................................................................85 Hình 3.26 Mối quan hệ giữa lực (kG) và biến dạng tương ứng (mm) với các mẫu 10, 30 và 65 chày đầm .........................................................................................................85 Hình 3.27 Xác định được CBR tương ứng với độ đặc tối ưu của đất gia cố ở ô số 4 ...86 vii Hình 3.28 Sơ đồ mặt bằng các ô thi công thực nghiệm lần 2........................................87 Hình 3.29 Độ chặt của nền đất ở các vị trí gia cố lớp 2 với các đợt lu lèn ...................88 Hình 3.30 Cường độ chịu nén của mẫu đất gia cố tro bay và xi măng theo các ngày tuổi .................................................................................................................................89 Hình 3.31 Khả năng chịu tải CBR của mẫu đất gia cố tro bay và xi măng theo các ngày tuổi .......................................................................................................................................90 Hình 3.32 Modul đàn hồi của lớp đất thân đê gia cố được đo ở hiện trường................90 Hình 3.33 Cấu trúc hỗn hợp đất gia cố ở tuổi 14 ngày..................................................91 Hình 3.34 Cấu trúc hỗn hợp đất gia cố ở tuổi 28 ngày..................................................91 Hình 3.35 Khả năng chịu tải đất thân đê hiện trường đo trên lớp thứ 2 ........................92 Hình 3.36 Tính thấm của vật liệu gia cố qua thí nghiệm thấm trong phòng .................94 Hình 3.37 Vật liệu đất sét ..............................................................................................95 Hình 3.38 Nước sạch .....................................................................................................95 Hình 3.39 Bộ đồ thí nghiệm thấm chuyên dụng............................................................95 Hình 3.40 Máy cắt tay ...................................................................................................95 Hình 3.41 Cắt hố thí nghiệm thấm ................................................................................96 Hình 3.42 Hố thí nghiệm đo thấm .................................................................................96 Hình 3.43 Lắp đặt dụng cụ thí nghiệm thấm tại hiện trường ........................................96 Hình 3.44 Quan sát và ghi chép số liệu theo thời gian ..................................................96 Hình 3.45 Trộn hỗn hợp bằng máy trộn tự hành 0,7m3...............................................101 Hình 3.46 Trộn hỗn hợp tập kết vào vị trí thi công .....................................................101 Hình 3.47 Dùng máy xúc kết hợp thủ công san gạt tạo phẳng ....................................101 Hình 3.48 Bù ẩm cho hỗn hợp trong quá trình lu lèn ..................................................103 Hình 3.49 Bảo dưỡng bằng phủ bao tải đay, tưới nước giữ ẩm ..................................103 Hình 3.50 Quan hệ cường độ chịu nén của mẫu đúc và mẫu khoan theo thời gian ....103 Hình 3.51 Quan hệ cường độ ép chẻ của mẫu đúc và mẫu khoan theo thời gian .......104 Hình 3.52 Kết cấu áo mặt đường đê đề xuất sau nghiên cứu ......................................105 Hình 4.1 Mặt cắt địa chất điển hình đê hữu Đuống đoạn từ Km21+600÷Km31+500 ....107 Hình 4.2 Kết cấu mặt đường đê đề xuất khi kết hợp giao thông .................................108 Hình 4.3. Kết cấu mặt đường đê theo tiêu chuẩn ngành giao thông (truyền thống) ...109 Hình 4.4 Sơ đồ khối tính toán thấm bằng phần mềm SEEP/W...................................116 viii Hình 4.5 Chia lưới phần tử mặt cắt Km30+200 đê hữu Đuống theo kết cấu truyền thống .....................................................................................................................................117 Hình 4.6 Kết quả kiểm tra ổn định thấm mặt cắt Km30+200 đê hữu Đuống theo kết cấu truyền thống ..........................................................................................................118 Hình 4.7 Kết quả kiểm tra ổn định mái đê hạ lưu mặt cắt Km30+200 đê hữu Đuống theo kết cấu truyền thống ............................................................................................118 Hình 4.8 Kết quả kiểm tra ổn định mái đê thượng lưu mặt cắt Km30+200 đê hữu Đuống theo kết cấu truyền thống.................................................................................119 Hình 4.9 Chia lưới phần tử mặt cắt đê theo kết cấu truyền thống ...............................120 Hình 4.10 Kết quả tính toán lún của đê sau 30 năm theo kết cấu truyền thống ..........121 Hình 4.11 Phân bố ứng suất trong đê theo kết cấu truyền thống ................................122 Hình 4.12 Chia lưới phần tử mặt cắt Km30+200 đê hữu Đuống theo kết cấu đề xuất .....................................................................................................................................123 Hình 4.13 Kết quả kiểm tra ổn định thấm mặt cắt Km30+200 đê hữu Đuống theo kết cấu đề xuất ...................................................................................................................124 Hình 4.14 Kết quả kiểm tra ổn định mái đê hạ lưu mặt cắt Km30+200 đê hữu Đuống theo kết cấu đề xuất .....................................................................................................124 Hình 4.15 Kết quả kiểm tra ổn định mái đê thượng lưu mặt cắt Km30+200 đê hữu Đuống theo kết cấu đề xuất .........................................................................................125 Hình 4.16 Chia lưới phần tử mặt cắt đê theo kết cấu đề xuất .....................................126 Hình 4.17 Kết quả tính toán lún của đê mới sau 30 năm theo kết cấu đề xuất ...........126 Hình 4.18 Phân bố ứng suất trong đê theo kết cấu đề xuất .........................................127 Hình 4.19 Mặt cắt đê xây dựng theo kết cấu truyền thống..........................................129 Hình 4.20 Mặt cắt đê xây dựng theo kết cấu đề xuất ..................................................129 ix DANH MỤC BẢNG BIỂU Bảng 1.1 Mực nước thiết kế các tuyến đê từ cấp III đến cấp I thuộc tỉnh Bắc Ninh.......18 Bảng 1.2 Tỷ lệ XM đối với đất tối ưu tương ứng với các loại đất khác nhau ...............26 Bảng 1.3 Tỷ lệ XM với đất với các loại đất khác nhau theo hệ thống phân loại ..........26 Bảng 2.1 Mối quan hệ giữa mức tin cậy  và số lượng phép đo n ..............................43 Bảng 3.1 Thành phần hạt của loại đất và các thông số đo được của ĐHĐ ...................54 Bảng 3.2 Các chỉ tiêu kỹ thuật của các loại tro bay ......................................................55 Bảng 3.3 Thành phần hạt của các loại tro bay dùng gia cố đất .....................................55 Bảng 3.4 Thành phần hóa học và khoáng vật của xi măng Nghi Sơn PCB40 ..............55 Bảng 3.5 Kết quả thí nghiệm đầm nén tiêu chuẩn của ĐHĐ ........................................56 Bảng 3.6 Giới hạn chảy và giới hạn dẻo của đất ...........................................................57 Bảng 3.7 Đất của đê hữu Đuống và tro bay Đông Triều ...............................................58 Bảng 3.8 Mối quan hệ giữa biến dạng và độ lún của chùy đo CBR .............................60 Bảng 3.9 Số lượng mẫu cần thực hiện cho mỗi thành phần đất gia cố .........................62 Bảng 3.10 Thành phần thiết kế và kết quả thí nghiệm các chỉ tiêu tương ứng với độ ẩm tốt nhất của các hỗn hợp ................................................................................................63 Bảng 3.11 Cường độ chịu nén của mẫu đất gia cố xi măng và tro bay ở tuổi 14 ngày.64 Bảng 3.12 Cường độ ép chẻ của đất hữu Đuống gia cố tro bay và xi măng ở tuổi 14 ngày .......................................................................................................................................65 Bảng 3.13 Modul đàn hồi của mẫu đất gia cố ở tuổi 14 ngày .......................................66 Bảng 3.14 Các kết quả thực nghiệm của mẫu đất gia cố ở tuổi 14 ngày ......................66 Bảng 3.15 Các chỉ tiêu cơ lý của xi măng Nghi Sơn PCB40 ........................................69 Bảng 3.16 Tính chất cơ lý của 2 loại tro bay Đông Triều và Cẩm Phả.........................69 Bảng 3.17 Các chỉ tiêu cơ lý của CPĐD loại 1 .............................................................70 Bảng 3.18 Kết quả đầm nén mẫu CPĐD gia cố xi măng, TB theo 22TCN 333:06 ......71 Bảng 3.19 Kết quả thí nghiệm xác định Rn, Rkc, Eđh của CPĐD gia cố xi măng, TB ở tuổi 14 ngày ...................................................................................................................72 Bảng 3.20 Trình tự thi công lớp đất gia cố thứ 2 của các ô thi công thực nghiệm .......87 Bảng 3.21 Kết quả đo CBR tại các vị trí của các ô sau khi thi công lớp 2 ở tuổi 7 ngày .......................................................................................................................................92 Bảng 3.22 Kết quả phân tích các chỉ tiêu của mẫu NCH-01 .........................................97 x Bảng 3.23 Kết quả phân tích các chỉ tiêu của mẫu NCH-02 .........................................98 Bảng 4.1 Bảng chỉ tiêu cơ lý địa chất đê hữu Đuống đoạn từ Km21+600÷Km31+500 ......108 Bảng 4.2 Bảng chỉ tiêu cơ lý địa chất đê hữu Đuống và vật liệu kết cấu áo đường truyền thống tính toán thấm và ổn định trượt mái .......................................................117 Bảng 4.3 Bảng chỉ tiêu cơ lý địa chất đê hữu Đuống và vật liệu kết cấu áo đường truyền thống tính toán lún và ứng suất ........................................................................120 Bảng 4.4 Bảng chỉ tiêu cơ lý địa chất đê hữu Đuống và vật liệu kết cấu áo đường đề xuất tính toán thấm và ổn định trượt mái ....................................................................123 Bảng 4.5 Bảng chỉ tiêu cơ lý địa chất đê hữu Đuống và vật liệu kết cấu áo đường đề xuất tính toán lún và ứng suất ......................................................................................125 Bảng 4.6 Kết quả tính toán phân tích ổn định đê của hai phương án ..........................128 Bảng 4.7 Chi phí xây dựng cho 1km đê của hai phương án........................................129 xi DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT BTCT Bê tông cốt thép BTXM Bê tông xi măng CBR (California Bearing Ratio) Chỉ số biểu thị sức chịu tải của đất và vật liệu dùng trong tính toán thiết kế kết cấu áo đường theo phương pháp của AASHTO CKD Chất kết dính CPĐD Cấp phối đá dăm CPTN Cấp phối thiên nhiên Đ Đất ĐC Đối chứng Đ+XM Hỗn hợp đất và xi măng ĐHĐ Đất lấy ở đê hữu Đuống TB Tro bay TBCP Tro bay Cẩm Phả TBĐT Tro bay Đông Triều TV Thủy văn XM Xi măng xii MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Đê sông Việt Nam có lịch sử hình thành và phát triển lâu đời, trải qua hàng nghìn năm xây dựng và củng cố, đến nay hệ thống đê sông có quy mô lớn và hoàn thiện hơn. Tuy nhiên, thân đê có tính đồng nhất không cao, nền đê thường không được xử lý trước khi đắp. Mặt khác, nhiệm vụ chính của đê là ngăn lũ, chống ngập lụt cho vùng được bảo vệ, vai trò giao thông trên đỉnh còn chưa được quan tâm đúng mức. Mạng lưới giao thông và hệ thống đê điều được xây dựng chằng chịt nhau và tác động lẫn nhau. Ngày nay, trước nhu cầu phát triển của kinh tế, xã hội đã có nhiều tuyến đê sông được quy hoạch sử dụng làm đường giao thông, đây là xu thế tất yếu. Thực tế cho thấy một số tuyến đê sông làm nhiệm vụ đường giao thông tạo kết nối mạng lưới giao thông hoàn chỉnh rất hiệu quả, thuận lợi cho nhân dân. Trong quá trình cải tạo, nâng cấp các tuyến đê sông để kết hợp giao thông hiện nay chủ yếu được thực hiện theo kinh nghiệm hoặc trên cơ sở các tiêu chuẩn, quy phạm về giao thông, thủy lợi hiện hành mà chưa có một nghiên cứu khoa học và quy định kỹ thuật nào cụ thể cho đường giao thông trên đê. Việc phá bỏ một tuyến đê cũ để xây dựng lại chỉ vì mục đích giao thông hay việc đầu tư xây dựng một tuyến đê mới đáp ứng cả yêu cầu chống lũ và kết hợp giao thông là không khả thi và tối ưu đối với điều kiện thực tế hiện nay. Trước thực tế đó, cần có những nghiên cứu tìm ra giải pháp tăng cường khả năng chịu lực của thân đê hiện hữu nhằm vừa đảm bảo an toàn chống lũ đồng thời đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật của một tuyến đường giao thông là cần thiết trong điều kiện hiện nay. Mặt khác, tro bay tuy là phế thải của ngành nhiệt điện nhưng sử dụng được trong nhiều lĩnh vực sản xuất vật liệu khác nhau. Trước đây, đã có những nghiên cứu sử dụng tro bay để sản xuất vật liệu xây dựng, chủ yếu trong sản xuất xi măng đã góp phần giảm thiểu ô nhiễm môi trường và đem lại hiệu quả kinh tế nhất định. Hiện nay, việc sử dụng tro bay rất khiêm tốn, chưa hiệu quả và triệt để do chưa có các điều tra, khảo sát đánh giá khối lượng, chủng loại và định hướng sử dụng đầy đủ, toàn diện. 1 Ở Việt Nam và trên thế giới chưa có nghiên cứu cụ thể nào về việc sử dụng lại lớp đất thân đê yếu để xử lý đảm bảo yêu cầu kỹ thuật của lớp nền thượng khi kết hợp giao thông. Trong đề tài này, tác giả tập trung nghiên cứu giải pháp tăng cường độ ổn định của đất thân đê đóng vai trò là lớp nền thượng trong phạm vi chịu tác dụng của tải trọng giao thông trên đỉnh đê và nghiên cứu giải pháp gia cố lớp móng trong kết cấu mặt đường đê khi kết hợp giao thông. Từ đó đề xuất kết cấu mặt đường đê thích hợp đảm bảo chống lũ và kết hợp giao thông. 2. Mục đích nghiên cứu - Xây dựng được cơ sở khoa học để lựa chọn kết cấu mặt đê đảm bảo chống lũ và kết hợp giao thông; - Xây dựng cơ sở khoa học để gia cố đất thân đê hiện trạng, cấp phối đá dăm với chất kết dính để tăng cường độ và độ ổn định. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 3.1. Đối tượng - Các tuyến đê sông, trọng tâm là tuyến đê sông có kết hợp giao thông của tỉnh Bắc Ninh; - Chất thải công nghiệp, cụ thể là tro bay của các nhà máy nhiệt điện khu vực gần với tỉnh Bắc Ninh. 3.2. Phạm vi nghiên cứu - Lớp đất thân đê khi kết hợp giao thông (chiều sâu 0,90÷1,30m) từ mặt đê trở xuống; - Lớp cấp phối đá dăm làm móng mặt đường đê; - Áp dụng cho đê hữu Đuống, tỉnh Bắc Ninh. 4. Cách tiếp cận và phương pháp nghiên cứu 4.1. Cách tiếp cận - Tiếp cận từ thực tế khi đầu tư xây dựng, cải tạo, nâng cấp các tuyến đê sông; - Tiếp cận các lý thuyết, thực nghiệm về nâng cao khả năng chịu lực của vật liệu đất và cấp phối đá dăm. 2 4.2. Phương pháp nghiên cứu - Phương pháp phân tích và tổng hợp lý thuyết; - Phương pháp phân loại và hệ thống hóa lý thuyết; - Phương pháp quan sát điều tra; - Phương pháp thực nghiệm trong phòng và hiện trường; - Phương pháp sử dụng các lý thuyết toán học xác suất thống kê, các phương pháp lý thuyết tập hợp,… 5. Ý nghĩa lý luận và thực tiễn của Luận án 5.1. Ý nghĩa lý luận Bằng phân tích lý luận kết luận kết hợp thí nghiệm trong phòng và hiện trường đã xác lập được cơ sở khoa học trong sử dụng vật liệu truyền thống (xi măng, đá dăm) với chất thải công nghiệp sẵn có (tro bay nhiệt điện) để cải tạo nâng cấp các tuyến đê hiện có kết hợp làm đường giao thông. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn Đã áp dụng thành công cho đoạn đê hữu Đuống - Bắc Ninh, có thể tiếp tục nghiên cứu hoàn thiện để áp dụng cho các đê khác. 6. Cấu trúc của Luận án Ngoài phần mở đầu và kết luận, luận án gồm có 4 chương: Chương 1 Tổng quan về 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 và kết hợp giao thông Chương 3 Nghiên cứu thực nghiệm xác định các giải pháp gia cố đê kết hợp làm đường giao thông Chương 4 Ứng dụng kết quả nghiên cứu cho đê hữu Đuống, tỉnh Bắc Ninh 3 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG ĐÊ SÔNG KẾT HỢP GIAO THÔNG 1.1 Quá trình hình thành và phát triển hệ thống đê sông 1.1.1 Trên thế giới Trên thế giới, những tuyến đê đầu tiên được hình thành từ rất xa xưa, tùy mục đích khác nhau mà các tuyến đê được xây dựng thuần túy bằng đất hoặc bằng đá. Mục đích chính của các tuyến đê nhân tạo là tạo nên một phòng tuyến ngăn chặn lũ lụt bảo vệ các vùng dân cư hoặc đồng ruộng trũng. Cũng có những tuyến đê được hình thành với mục đích tạo ra một đường vận tải thủy nối liền các dòng sông lớn với nhau hoặc nối từ sông ra biển phục vụ phát triển thương mại hàng hải. Hà Lan là một đất nước điển hình về công nghệ xây dựng đê trên thế giới do đa số lãnh thổ của nước này thấp hơn mực nước biển. Ở Hà Lan, những con đê được xây dựng sớm nhất vào khoảng thế kỷ 11 [1]. Cho đến ngày nay, Hà Lan đã có một hệ thống đê ngày một lớn (siêu đê) bền vững bảo vệ người dân, cơ sở hạ tầng quốc gia, ngăn chặn nước biển, sóng dâng với các trận bão lũ lịch sử. Hình 1.1 Hệ thống các tuyến đê của Hà Lan 4 Hình 1.2 Đập ngăn triều Maeslant Hà Lan (nguồn: internet) Ở Mỹ, hệ thống đê nổi tiếng đã được xây dựng dọc theo sông Mississippi và sông Sacramento. Đây được xem là hệ thống đê lớn nhất trên thế giới với tổng chiều dài khoảng 5.600km. Đê được đắp ban đầu bởi những người định cư Pháp ở Louisiana trong thế kỷ 18, chiều cao đê khi đó được đắp khoảng 0,91m chạy dài dọc theo bờ sông khoảng 80km để bảo vệ thành phố New Orleans. Sau này, vào năm 1882 các kỹ sư quân đội Mỹ kết hợp với Ủy ban sông Mississippi đã tiến hành mở rộng hệ thống đê sông Mississippi để bảo vệ các vùng đất dọc bờ sông trải dài từ Cairo, Illinois đến đồng bằng sông Mississippi ở Louisiana với chiều cao đắp bình quân từ 7,3m đến 15,0m. Vùng ảnh hưởng của đê sông mái hạ lưu được khai thác sử dụng [2]. Ở châu Á, một số tuyến đê đầu tiên được xây dựng vào khoảng năm 2.600 trước Công nguyên trên lưu vực sông Ấn (giữa Pakistan và Bắc Ấn Độ). Khoảng hơn 3.000 năm trước vào thời kỳ Ai Cập cổ đại, hệ thống đê đã được xây dựng dọc theo bờ trái của sông Nile, cho đến ngày nay có tổng chiều dài lên tới khoảng 970km kéo dài từ Aswan đến đồng bằng sông Nile trên bờ Địa Trung Hải. Trung Quốc cổ đại cũng là thời kỳ mà nhiều tuyến đê được xây dựng để chống lại thiên tai lũ lụt, bảo vệ dân cư làng mạc và những cánh đồng rộng lớn. Ở Nhật Bản, do sông, suối thường có chiều dài ngắn và dốc nên mỗi khi có lũ thì thường xảy ra lũ tập trung nhanh và mạnh. Vì vậy, người Nhật có nhiều biện pháp để quản lý ngăn dòng nước, trong đó đặc biệt quan tâm tới việc xây dựng đê với tiêu chuẩn cao (High-Standard Levees - siêu đê). Các dự án siêu đê được xây dựng từ những năm 1987 dọc theo các con sông lớn ở Kyoto và Osaka như Tonegawa, Edogawa, Arakawa, Tamagawa, Yodogawa và Yamatogawa. Ở 5 trong phạm vi siêu đê người ta bố trí không gian để xây dựng cơ sở hạ tầng và xây dựng đường khẩn cấp dọc theo dòng sông (Hình 1.3) [3]. (a) (b) Hình 1.3 Đê an toàn cao ở Nhật Bản (nguồn: internet) 1.1.2 Ở Việt Nam Lãnh thổ Việt Nam nằm trong vành đai nhiệt đới, có rừng núi trùng điệp, có đồng bằng châu thổ lớn và cao nguyên hùng vĩ. Ở Việt Nam, có hơn 2.370 con sông có chiều dài từ 10km trở lên, trong đó có 109 sông chính, tạo nên mạng lưới dày đặc và những đồng bằng phì nhiêu như hiện nay, nhưng cũng gây nên không ít tai họa cho các thế hệ người dân Việt Nam [4]. 6