Nghiên cứu các giải pháp tăng cường ổn định bảo vệ mái đê biển trà nnước

i BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI HOÀNG VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN TRÀN NƯỚC LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Hà Nội, 2012 ii BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO BỘ NÔNG NGHIỆP VÀ PTNT TRƯỜNG ĐẠI HỌC THUỶ LỢI HOÀNG VIỆT HÙNG NGHIÊN CỨU CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN TRÀN NƯỚC Chuyên ngành: Địa kỹ thuật Xây dựng Mã số: 62-58-60-01 LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT Cán bộ hướng dẫn khoa học: 1. PGS.TS Trịnh Minh Thụ 2.GS.TS Ngô Trí Viềng Hà Nội, 2012 iii LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu khoa học do chính tôi thực hiện. Các kết quả, số liệu trong luận án là trung thực và chưa được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Tác giả luận án Hoàng Việt Hùng iv LỜI CẢM ƠN Tác giả luận án xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến PGS.TS Trịnh Minh Thụ và GS.TS Ngô Trí Viềng là hai Thầy hướng dẫn trực tiếp tác giả thực hiện luận án. Xin cảm ơn hai Thầy đã dành nhiều công sức, trí tuệ và cả hỗ trợ tài chính để tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu đúng thời gian. Tác giả xin bày tỏ lòng biết ơn tới GS. Nguyễn Công Mẫn, xin cảm ơn Giáo sư đã có những đóng góp quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn GS.TS Nguyễn Quang Kim-Hiệu trưởng nhà trường đã có hỗ trợ kịp thời về thiết bị thí nghiệm trong quá trình nghiên cứu của tác giả luận án. Tác giả xin trân trọng cảm ơn Vụ Đại học và Sau Đại học-Bộ Giáo dục và Đào tạo, Hội đồng Khoa học Đào tạo Khoa Công trình, Phòng Đào tạo Đại học và Sau Đại học, Phòng Khoa học Công nghệ-Trường Đại học Thuỷ lợi, Cục Sở hữu Trí tuệ-Bộ Khoa học Công nghệ, các nhà khoa học từ các đơn vị đã có những đóng góp, giúp đỡ quý báu cho tác giả trong quá trình thực hiện nghiên cứu của mình. Cuối cùng, tác giả xin chân thành cảm ơn bạn bè, đồng nghiệp và gia đình đã động viên, khuyến khích để tác giả hoàn thành luận án nghiên cứu. Tác giả Hoàng Việt Hùng v MỤC LỤC MỞ ĐẦU................................................................................................................1 1. Tính cấp thiết của đề tài......................................................................1 2. Mục đích nghiên cứu ..........................................................................2 3. Phạm vi nghiên cứu ............................................................................2 4. Nội dung nghiên cứu ...........................................................................3 5. Phương pháp nghiên cứu .....................................................................3 6. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn .............................................................4 7. Những đóng góp mới của luận án ........................................................4 8. Bố cục của luận án..............................................................................5 CHƯƠNG I. TỔNG QUAN GIẢI PHÁP BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN................7 1.1 Mở đầu .....................................................................................................7 1.2 Tổng quan về giải pháp bảo vệ mái đê biển trên thế giới ..................7 1.2.1 Giải pháp bảo vệ mái đê phía biển ..................................................7 1.2.2 Giải pháp bảo vệ mái đê phía đồng ..............................................17 1.3 Tổng quan về giải pháp bảo vệ mái đê biển ở Việt Nam.........................19 1.3.1 Một số hình thức kết cấu kè mái đê phía biển ..............................19 1.3.2 Bảo vệ mái đê phía trong đồng ....................................................24 1.4 Một số vấn đề gây mất ổn định lớp bảo vệ mái đê biển thường gặp........24 1.4.1 Cơ chế phá huỷ đê khi sóng tràn ..................................................24 1.4.2 Một số tồn tại kỹ thuật của kè bảo vệ mái đê phía biển và mất ổn định do xói mái đê trong đồng...............................................................27 1.4.3 Sự phá huỷ đê biển do sóng tràn ..................................................29 1.4.4 Hướng tiếp cận lựa chọn giải pháp công nghệ mới .......................30 1.5 Kết luận chương I....................................................................................31 CHƯƠNG II . CƠ SỞ LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH BẢO VỆ MÁI ĐÊ....................................................................................33 2.1 Đặc điểm của neo trong đất và nguyên tắc tính toán ...............................33 2.1.1 Mục đích......................................................................................33 2.1.2 Nguyên lý chống nhổ của thanh neo ............................................33 2.1.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến lực chống nhổ của thanh neo............34 2.1.4 Các phương pháp xác định khả năng chịu lực kéo nhổ của neo...36 2.2 Nghiên cứu neo gia cố cho tấm lát mái đê biển.......................................44 2.2.1 Đặt vấn đề....................................................................................44 2.2.2 Bản chất kỹ thuật của giải pháp ...................................................45 vi 2.3 Thiết lập biểu thức xác định sức chịu tải của neo xoắn sử dụng gia cố tấm lát mái đê biển...............................................................................................47 2.3.1 Những giả thiết và định lý dùng trong phương pháp phân tích giới hạn ........................................................................................................48 2.3.2 Lập biểu thức xác định sức chịu nhổ giới hạn ..............................52 2.4 Kết luận chương II...................................................................................57 CHƯƠNG III. NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM CÁC GIẢI PHÁP TĂNG CƯỜNG ỔN ĐỊNH BẢO VỆ MÁI ĐÊ BIỂN..................................................59 3.1 Mở đầu ...................................................................................................59 3.2 Thí nghiệm xác định khả năng neo giữ của neo xoắn..............................59 3.2.1 Nội dung thí nghiệm ....................................................................59 3.2.2 Lập phương trình xác định Sêry thí nghiệm .................................60 3.2.3 Thiết kế neo xoắn ........................................................................63 3.2.4 Thí nghiệm thử tải neo xoắn ........................................................65 3.2.5 Kiểm chứng biểu thức xác định sức chịu tải neo xoắn .................74 3.2.6 Thí nghiệm mô hình vật lý để đánh giá mật độ bố trí neo gia cố ..79 3.3 Nghiên cứu ứng dụng phụ gia CONSOLID ............................................85 3.3.1 Giới thiệu về sản phẩm phụ gia CONSOLID và mục đích nghiên cứu ........................................................................................................85 3.3.2 Các thí nghiệm với đất á sét có phụ gia........................................85 3.3.3 Thí nghiệm với đất cát và á cát khi sử dụng phụ gia ...................98 3.3.4 Nhận xét về kết quả thí nghiệm đất gia cường ...........................103 3.4 Nghiên cứu khả năng xói bề mặt của đất có phụ gia .............................103 3.4.1 Mục đích....................................................................................103 3.4.2 Nội dung và kết quả thí nghiệm .................................................104 3.4.3 Nhận xét kết quả thí nghiệm xói bề mặt....................................106 3.5 Kết luận chương III ...............................................................................106 CHƯƠNG IV. ỨNG DỤNG KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TÍNH TOÁN CHO ĐÊ BIỂN NAM ĐỊNH......................................................................................109 4.1 Giới thiệu về công trình........................................................................109 4.2 Tài liệu dùng trong thiết kế...................................................................109 4.2.1 Tài liệu địa hình.........................................................................109 4.2.2 Tài liệu địa chất .........................................................................109 4.3 Giải pháp kỹ thuật nâng cấp đê.............................................................111 4.3.1 Các thông số cơ bản của đê biển Giao Thuỷ-Nam Định.............111 vii 4.3.2 Tăng cường ổn định bảo vệ mái đê phía biển theo tiêu chuẩn kỹ thuật thiết kế đê biển-2012 kết hợp neo gia cố tấm lát mái ..................111 4.3.3 Đề xuất tính toán gia cố mái đê kết hợp neo khi xét cân bằng áp lực đẩy ngược do sóng.........................................................................113 4.3.4 Xử lý đất đắp vỏ bọc đê biển phía đồng bằng phụ gia CONSOLID115 4.4 Xây dựng phần mềm tính toán viên gia cố mái đê biển kết hợp neo .....116 4.4.1 Mục đích...................................................................................116 4.4.2 Lựa chọn ngôn ngữ lập trình......................................................116 4.4.3 Cấu trúc chương trình .................................................................116 4.5 Kết luận chương IV ...............................................................................121 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ..........................................................................122 I. Kết luận............................................................................................122 II Điều kiện áp dụng kết quả nghiên cứu ............................................123 III Tồn tại ............................................................................................124 IV Kiến nghị........................................................................................125 TÀI LIỆU THAM KHẢO................................................................................127 viii MỤC LỤC HÌNH VẼ CHƯƠNG I Hình 1.1: Gia cường mái đê biển ở Hà Lan ............................................................8 Hình 1.2: Cấu kiện bê tông lắp ghép .......................................................................8 Hình 1.3: Một dạng cấu kiện gia cố đê biển Nhật Bản............................................9 Hình 1.4: Thiết bị thi công cấu kiện gia cố mái đê biển Hà Lan .............................9 Hình 1.5: Cấu kiện bê tông gia cố dạng cột...........................................................10 Hình 1.6: Kè đê biển đá xếp phủ nhựa đường.......................................................11 Hình 1.7: Thảm bê tông liên kết bằng dây cáp......................................................12 Hình 1.8: Thảm bê tông được sử dụng làm kè đê biển Hà Lan.............................12 Hình 1.9: Thảm gia cường bằng hệ thống túi vải địa kỹ thuật...............................13 Hình 1.10: Mở rộng ứng dụng của túi địa kỹ thuật ...............................................14 Hình 1.11: Ống địa kỹ thuật trong xây dựng đê kè ...............................................14 Hình 1.12: Mở rộng ứng dụng của ống địa kỹ thuật..............................................15 Hình 1.13: Ống địa kỹ thuật gia cường bảo vệ bờ ở Hà Lan.................................15 Hình 1.14: Một số biện pháp kỹ thuật gia cố mái đê............................................16 Hình 1.15: Vải địa kĩ thuật dùng gia cố lớp bảo vệ mái .......................................16 Hình 1.16: Thảm cỏ chống xói mái đê ..................................................................17 Hình 1.17: Sử dụng lưới sợi tổng hợp kết hợp trồng cỏ chống xói.......................18 Hình 1.18: Bể bê tông có bố trí ống tiêu nước ......................................................18 Hình 1.19: Bể bê tông có tính năng tiêu năng .......................................................19 Hình 1.20: Kè bảo vệ mái bằng đá lát khan ở Hải Hậu-Nam Định.......................20 Hình 1.21: Kè đá xây liền khối ở Thái Bình..........................................................20 Hình 1.22: Kè lát mái bằng bê tông đổ tại chỗ ......................................................21 Hình 1.23: Kè bằng cấu kiện bê tông tấm nhỏ ......................................................22 Hình 1.24: Kè bằng cấu kiện bê tông khối lớn......................................................22 Hình 1.25: Kè lát mái bằng cấu kiện TSC-178 .....................................................23 Hình 1.26: Kè bằng cấu kiện BT liên kết 2 chiều..................................................23 Hình 1.27: Cơ chế phá huỷ đê khi sóng tràn .........................................................25 Hình 1.28: Lực tác dụng của sóng lên mái kè dạng tấm bê tông...........................25 Hình 1.29: Tấm lát mái đê biển bị lún sụt .............................................................28 Hình 1.30: Tấm lát mái đê biển bị bong tróc.........................................................28 Hình 1.31: Phá huỷ mái phía biển dẫn đến xói hỏng nền đê .................................28 Hình 1.32: Các viên gia cố không đủ trọng lượng.................................................28 Hình 1.33: Mái đê biển phía đồng bị sóng tràn qua...............................................29 ix Hình 1.34: Đê biển đắp bằng đất có hàm lượng cát cao bị xói hỏng.....................29 Hình 1.35: Viên gia cố bị đẩy ngược.....................................................................29 Hình 1.36: Đê biển Hải Phòng được cứng hoá bề mặt-chống sóng tràn ...............30 Hình 1.37: Bão số 2-2005 mái hạ lưu bị phá huỷ toàn bộ do sóng tràn................30 CHƯƠNG II Hình 2.1: Nguyên lý chịu lực của thanh neo .........................................................33 Hình 2.2: Các hình thức mũi neo giữ ....................................................................35 Hình 2.3: (a) Neo đất có dạng mở rộng đáy hình trụ tròn. (b) Đáy mở rộng với nhiều hình nón cụt.................................................................................................35 Hình 2.4: Cấu tạo mũi cọc xoắn............................................................................39 Hình 2.5: Sơ đồ bố trí neo cho tấm lát mái............................................................45 Hình 2.6: Chi tiết các dạng neo gia cố...................................................................46 Hình 2.7: Chi tiết liên kết với tấm lát mái .............................................................47 Hình 2.8: Ứng dụng lý thuyết dẻo cho đất ............................................................48 Hình 2.9: Mô hình vật lý mô phỏng hướng chuyển vị khi đất bị cắt .....................49 Hình 2.10: Giả thiết mặt nón phá hoại của mũi neo xoắn .....................................52 Hình 2.11: Kết quả thí nghiệm mô hình đất tương tự với (H/D) ≤ 5 ÷ 7...............55 Hình 2.12: Kết quả thí nghiệm mô hình đất tương tự với (H/D) = 8.....................55 CHƯƠNG III Hình 3.1: Các chi tiết của neo xoắn.......................................................................64 Hình 3.2: Hai mũi neo điển hình trong thí nghiệm................................................64 Hình 3.3: Sơ đồ bố trí thí nghiệm kéo neo ............................................................65 Hình 3.4: Sức chịu tải kéo nhổ của mũi neo theo các độ sâu.................................68 Hình 3.5: Sức chịu tải kéo nhổ của mũi neo NĐ10-Đất đê Giao Thuỷ .................69 Hình 3.6: Sức chịu tải kéo nhổ của mũi neo NĐ11-Đất đê Giao Thuỷ .................70 Hình 3.7: Sức chịu tải kéo nhổ của neo xoắn NĐ10 - Đất nền khu vực Đại học Thuỷ lợi.................................................................................................................72 Hình 3.8: Sức chịu tải kéo nhổ của neo xoắn NĐ11 - Đất nền khu vực Đại học Thuỷ lợi.................................................................................................................73 Hình 3.9: Thiết bị và mô hình thí nghiệm .............................................................76 Hình 3.10: Sơ đồ bố trí thí nghiệm kéo mảng gia cố.............................................80 Hình 3.11: Sơ đồ vị trí các viên gia cố tính từ điểm đặt tải (điểm 0).....................81 Hình 3.12: Diễn biến mẫu sau 1 giờ ngâm nước...................................................88 Hình 3.13: Diễn biến mẫu sau 20 ngày ngâm nước ..............................................89 Hình 3.14: Thiết bị nén một trục ..........................................................................90 x Hình 3.15: Quan hệ ứng suất biến dạng của các mẫu nén nở hông tự do sau thời gian 6 ngày............................................................................................................91 Hình 3.16: Quan hệ ứng suất biến dạng của các mẫu nén nở hông......................91 tự do sau thời gian 15 ngày ...................................................................................91 Hình 3.17: Quan hệ ứng suất biến dạng của các mẫu nén nở hông tự do sau thời gian 30 ngày..........................................................................................................92 Hình 3.18: Thiết bị nén ba trục..............................................................................94 Hình 3.19: Kết quả thí nghiệm mẫu 0% phụ gia ..................................................95 Hình 3.20: Kết quả thí nghiệm mẫu 2% phụ gia ..................................................95 Hình 3.22: Thí nghiệm rã chân mẫu đất cát có sử dụng phụ gia ...........................98 Hình 3.23: Thí nghiệm đánh giá độ rã chân-sập mẫu..........................................100 Hình 3.24: Các mẫu sau 15 phút đổ nước ...........................................................100 Hình 3.25: Các mẫu sau 30 ngày ngâm nước......................................................100 Hình 3.26: Một số hình ảnh thí nghiệm mẫu trong điều kiện ngập-khô-ngập.....102 Hình 3.27: Chuẩn bị mẫu thí nghiệm ..................................................................104 Hình 3.28: Điều chỉnh lưu lượng chảy qua mô hình ...........................................105 Hình 3.29: Một số mặt cắt điển hình trong quá trình thí nghiệm........................106 CHƯƠNG IV Hình 4.1: Cấu trúc sơ đồ tính toán.......................................................................117 Hình 4.2: Giao diện chương trình........................................................................118 Hình 4.3: Giao diện chương trình tính với lựa chọn 1.........................................118 Hình 4.4: Giao diện chương trình tính với lựa chọn 2.........................................119 xi MỤC LỤC BẢNG BIỂU CHƯƠNG I CHƯƠNG II Bảng 2.1: Giá trị tham khảo cường độ chống cắt của đất [20] ..............................37 Bảng 2.2: Cường độ chống cắt của đất [20] ..........................................................37 Bảng 2.3: Hệ số điều kiện làm việc m...................................................................40 Bảng 2.4: Các hệ số A, B tính sức chịu tải kéo của cọc xoắn................................41 Bảng 2.5: Các giá trị của M, N ứng với fa = và 2 f a = .......................................43 CHƯƠNG III Bảng 3.1: Các kích thước thực tế của hai neo xoắn...............................................64 Bảng 3.2: Chỉ tiêu cơ lý của đất thí nghiệm ..........................................................66 Bảng 3.3: Ảnh hưởng của độ sâu cắm neo đến sức chịu tải ..................................67 Bảng 3.4: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian của neo xoắn NĐ10 (H/D=8) ....69 Bảng 3.5: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian của neo xoắn NĐ11 (H/D)=8 ....71 Bảng 3.6: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian của neo xoắn NĐ10 (H/D=8) ....72 Bảng 3.7: Quan hệ giữa tải trọng theo thời gian của neo xoắn NĐ11 (H/D=8) ....73 Bảng 3.8: Kết quả đo trực tiếp góc m