Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng cốt thanh frp thay cho cốt thép trong thiết kế cấu kiện của đê biển

 60 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 35, Feb 2020 
NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM SỬ DỤNG CỐT THANH FRP 
THAY CHO CỐT THÉP TRONG THIẾT KẾ CẤU KIỆN 
 CỦA ĐÊ BIỂN 
EXPERIMENTAL STUDY ON USING FIBRE REINFORCED POLYMER (FRP) 
BAR FOR REPLACING STEEL BAR IN THE DESIGN OF ELEMENTS 
 OF SEA DIKE 
Trần Long Giang 
Đại học Hàng hải Việt Nam, Hải Phòng 
Tóm tắt: Tại Việt Nam, đê lấn biển truyền thống chủ yếu sử dụng vật liệu là đất, đá đổ. Gần đây 
đã có một số đề xuất kết cấu đê sử dụng ống Geotube, đê đá mái nghiêng kết hợp với tường góc trên 
nền cọc hoặc thùng chìm bê tông cốt thép. Tuy nhiên, khảo sát hiện trạng gần đây cho thấy, các kết cấu 
công trình này khi thi công trên nền địa chất yếu phải xử lý nền để đảm bảo ổn định công trình. Công 
tác xử lý móng công trình ở dưới nước phức tạp, đòi hỏi độ chính xác rất cao, tốn nhiều vật liệu nên giá 
thành xây dựng không nhỏ, bên cạnh đó cốt thép thường bị han gỉ trong môi trường nước biển rất nhanh. 
Do đó để khắc phục các hạn chế này cần có giải pháp vật liệu mới, thi công đơn giản và giảm giá thành. 
Từ khoá: Cốt thanh FRP, thiết kế đê, ổn định đê. 
Chỉ só phân loại: 2.4 
Abstract: In Vietnam, materials using for traditional sea dikes are mainly soil and stone. Recently, 
there has been a proposal of using Geotube, sloping stone dikes combined with corner walls on 
reinforced concrete piles or concrete caisson for dike structure. However, some recent survey shows 
that when these structures have constructed on weak geology, the ground under the foundation of the 
dike has to completed treatment for the stability of the dike. The treatment of underwater foundations of 
these structures requires very high accuracy, consumes a lot of materials, so the construction costs are 
high, besides, the steel bar is often rusted in the sea environment quickly. To overcome these limitations, 
it is necessary to have new material for simple construction and reduce the costs of work. 
Keywords: Fibre Reinforced Polymer (FRP) bar, design of dike, the stability of dike. 
Classification number: 2.4 
1. Giới thiệu 
Trước diễn biến phức tạp của việc biến đổi 
khí hậu, các dự án xây dựng đê lấn biển không 
chỉ là một giải pháp để mở rộng quỹ đất mà 
còn chủ động ứng phó với thực trạng mực 
nước biển tăng cao. Các công trình đê lấn biển 
hiện nay ở Việt Nam đều được thiết kế và xây 
dựng sử dụng các loại vật liệu truyền thống cơ 
bản: Đê đất, đá hộc, và bê tông cốt thép... [1-
3]. Trên thị trường vật liệu xây dựng ở Việt 
Nam hiện nay có nhiều loại vật liệu mới ra đời 
với trọng lượng nhẹ và khả năng chịu lực rất 
cao điển hình như thanh FRP. Việc sử dụng 
Composite Polymer thay thế cho cốt thép sẽ 
tận dụng được ưu điểm chống ăn mòn trong 
môi trường nước biển, khả năng chịu kéo cao 
của vật liệu này giúp giảm nhiều về chiều dày 
các cấu kiện bê tông do không bị ràng buộc 
bởi yêu cầu chiều dày lớp bê tông bảo vệ và 
điều kiện khống chế vết nứt tính theo trạng 
thái giới hạn 2. Điều này giúp cho kết cấu có 
kiến trúc đẹp hơn, nhẹ nhàng hơn, chi phí duy 
tu bảo dưỡng công trình ở mức thấp hơn. 
Việc sử dụng kết cấu bê tông cốt thanh 
FRP để xây dựng các công trình đê lấn biển 
hiện nay chưa có nước nào nghiên cứu và ứng 
dụng. Vật liệu FRP có những chỉ tiêu cơ lý đáp 
ứng được yêu cấu cao của các kết cấu công 
trình làm việc trong môi trường nước biển 
(chịu kéo cao, không bị ăn mòn trong môi 
trường nước biển, nhẹ, thi công nhanh...), 
chính vì vậy, chúng tôi đề xuất giải pháp sử 
dụng kết cấu bê tông cốt thanh FRP trong xây 
dựng đê và kè mục đích giảm thời gian và tiết 
kiệm chi phí xây dựng cũng như duy tu bảo 
dưỡng công trình. 
2. Tổng quan về vật liệu sử dụng xây 
dựng đê lấn biển 
2.1. Thùng chìm bê tông cốt thép 
Thùng chìm là những pông-tông bằng bê tông 
cốt thép (BTCT) được chế tạo trên bờ, sau đó 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 35-02/2020 
61 
chuyển đến vị trí công trình và đánh chìm, tiếp 
đến được lấp đầy bằng bê tông (BT) hoặc cuội 
sỏi, cát, đá dăm [4]. 
Kết cấu thùng chìm có ưu thế cho phép 
giải phóng đá hoặc cát sỏi để di chuyển đến vị 
trí khác, vỏ thùng chìm được chế tạo tại bãi 
chuyên dụng hạ thuỷ và kéo đến vị trí xây 
dựng, sau khi đổ cát đá vào thùng các khoang 
được đậy bằng tấm BTCT dày từ 0,4 - 0,5 m 
để vật liệu không trôi ra ngoài các khe hở giữa 
tường thùng và các tấm BT được đổ BT. 
Tuy nhiên việc lấp đầy bằng vật liệu rời 
có nhược điểm là khi tường mỏng bị vỡ cát sẽ 
trôi ra ngoài và sau đó thùng sẽ bị phá huỷ 
hoàn toàn, [4]. Để khắc phục nhược điểm trên, 
các khoang ngoài theo chiều dọc và khoang 
ngoài theo chiều ngang được làm rộng 1m, đổ 
đầy BT, các khoang còn lại sẽ được đổ hỗn 
hợp cát và đá dăm. Tiết diện ngang của thùng 
chìm có thể là hình thang, hình chữ nhật và có 
mẩu conxon ở đáy. 
Hình 1. Thùng chìm BTCT. 
2.2. Rọ đá 
Rọ đá thường được sản xuất theo tiêu 
chuẩn cơ sở TC-01-2004 và TC-02-2004. 
Đặc điểm: 
- Thi công đơn giản và nhanh chóng; 
- Vận chuyển dễ dàng, có thể sử dụng 
nguyên liệu đá tại chỗ; 
- Sử dụng được đá kích thước nhỏ, độ chặt 
cao; 
- Đan máy, tiến độ đảm bảo, chất lượng 
ổn định, mắt lưới đều, phân tán lực đồng đều; 
- Mắt lưới xoắn 3 vòng, kết cấu vững 
chắc; 
- Lưới mạ kẽm và bọc PVC chống xâm 
thực của môi trường; 
- Kết cấu mềm chịu được biến dạng hay 
sụt trượt của kết cấu nền; 
- Khả năng thoát nước tốt giúp giảm áp 
lực thủy động; 
Hình 2. Rọ đá. 
2.3. Vải địa kỹ thuật 
• Dạng ống (Geotubes) 
Công trình có dạng con lươn với vỏ bọc 
bằng vật liệu Geo-Composite (vải địa kỹ 
thuật) rất bền; phía dưới là các tấm phẳng làm 
bằng vật liệu đặc biệt nhằm chống lún và 
chống xói công trình; bên trong các con lươn 
chứa đầy cát và được bơm vào tại chỗ; Khi cần 
thiết có hệ thống neo đặc biệt để giữ chúng 
không bị di chuyển. Chiều dài trung bình của 
Stabiplage từ 50 m đến 80 m, có mặt cắt gần 
như hình elip chu vi khoảng 6,5 m đến 10 m. 
Kích thước của Stabiplage cũng như loại vật 
liệu được lựa chọn thích ứng với từng khu vực 
của công trình. Vật liệu tổng hợp Geo-
Composite có hai lớp, lớp ngoài là lưới 
Polyeste màu sáng, lớp lọc bên trong là 
Polypropylene kiểu không dệt. Đặc tính cơ 
bản của Geo-Composite là có độ bền kéo 400 
kN/m và độ thấm 0,041 m/s. 
Ống được bơm đầy cát lẫn nước biển bởi 
hệ thống bơm thủy lực. Ống vải địa tổng hợp 
giữ lại cát còn nước được thấm qua lớp màng 
chảy ra ngoài. Geotube giữ lại một cách 
thường xuyên vật liệu dạng hạt ở cả hai loại 
công trình trên cạn và dưới nước [4]. 
Hình 3. Ống vải địa kỹ thuật (Geotubes). 
 62 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 35, Feb 2020 
• Dạng túi (Geobags) 
Geobags được sản xuất từ vải địa kỹ thuật 
loại dệt sức bền cao, chứng tỏ là có hiệu quả 
và kinh tế trong việc đặt những túi lớn giống 
nhau cho việc chống xói mòn cũng như các 
công trình dưới nước khác. Geobags có thể 
tích thông thường từ 0,05 m3 đến 5 m3, được 
sản xuất với nhiều hình dạng khác nhau: Hình 
gối, hình hộp, hình nệm. Geobags ứng dụng 
để xây dựng đê hoặc gờ nước, các con đê tạm 
thời, bảo vệ đường bờ biển. 
Hình 4. Túi vải địa kỹ thuật (Geobags). 
3. Đề xuất giải pháp kết cấu đê lấn biển 
bằng các khung và bản bê tông cốt thanh 
FRP 
Xuất phát từ nghiên cứu tổng quan, ưu 
nhược điểm của kết cấu đê biển và các loại vật 
liệu đã và đang được sử dụng tại Việt Nam 
hiện nay, chúng tôi đã tiến hành tổng hợp, đi 
sâu phân tích, đánh giá và lựa chọn giải pháp 
kết cấu phù hợp với điều kiện sau: 
- Về điều kiện kinh tế, xã hội của vùng 
bảo vệ: Ngoài nhiệm vụ bảo vệ dân sinh kinh 
tế, đê bao phía ngoài có tác dụng tạo bãi làm 
hạ tầng xây dựng công trình. 
- Về điều kiện kỹ thuật: Các tuyến đê lấn 
biển thường trên vùng bãi bồi nên nền địa chất 
rất mềm, yếu, địa hình có xu hướng lồi ra biển, 
bãi khá bằng phẳng, tác động của sóng vào 
khu vực này không lớn, chiều cao nước dâng 
tương đối nhỏ. 
* Tiêu chí kỹ thuật: 
- Xây dựng tuyến đê quai lấn biển thực 
hiện đồng thời quá trình tôn cao đê với việc 
san lấp nền bãi phía trong đê quai nên kết cấu 
đê không cần đắp hoàn chỉnh theo kết cấu một 
con đê thông thường, ở đây mặt cắt ngang đê 
chỉ thực hiện vai trò giữ cát phục vụ san nền, 
mái trong của đê có thể làm rất dốc, không sợ 
mất ổn định, mặt ngoài đê tiếp giáp với biển 
được bảo vệ như một mái kè bảo vệ bờ để 
chống tác động của sóng biển; 
- Tận dụng triệt để vật liệu địa phương; 
- Có thể thi công trong điều kiện ngập 
nước (vì phần lớn bãi bồi xây dựng tuyến đê 
có cao trình nền thấp hơn cao trình triều trung 
bình). 
Từ những phân tích ở trên chúng tôi lựa 
chọn phương án kết cấu dạng khung bản bê 
tông cốt thanh FRP có nhiều ưu điểm so với 
các kết cấu truyền thống (cấu kiện đúc sẵn 
đảm bảo chất lượng theo thiết kế, thời gian thi 
công nhanh chóng, khắc phục được bất lợi của 
điều kiện tự nhiên, điều kiện địa hình), từ đó 
giảm giá thành xây dựng và các chi phí duy tu 
bảo dưỡng công trình. Ngoài ra, các tấm bê 
tông có tác dụng giảm tác hại của sóng biển 
đến vật liệu làm lõi đê, ngăn cho vật liệu 
không bị trôi ra ngoài biển trong. 
Hình 5. Giải pháp kết cấu đê lấn biển bằng khung và 
bản bê tông cốt thanh FRP. 
4. Nghiên cứu thực nghiệm sử dụng 
thanh FRP thay thế cốt thép trong các cấu 
kiện của kết cấu đê lấn biển dạng khung 
bản 
Ở giai đoạn thiết kế sơ bộ kết cấu đê lấn 
biển dạng khung bản, việc lựa chọn kích thước 
của dầm và bản bê tông cốt thanh FRP dựa 
trên các thiết kế dầm và bản bê tông cốt thép 
đang áp dụng hiện nay [5]. Sau khi tiến hành 
thí nghiệm sẽ thay đổi kích thước cho phù hợp 
với tải trọng để tối ưu hóa các cấu kiện. Cụ thể 
dầm sử dụng bê tông M250 có kích thước b x 
h = 20 x 30 cm, dài L = 3 m được bố trí hai 
thanh FRP D14 chịu ở phía trên và hai thanh 
FRP D14 chịu lực ở phía dưới (hình 6). Bản 
bê tông M250 cốt thanh FRP có kích thước b 
TẠP CHÍ KHOA HỌC CÔNG NGHỆ GIAO THÔNG VẬN TẢI, SỐ 35-02/2020 
63 
x L = 60 x 150 cm, dày h = 6cm, sử dụng cốt 
thanh D10 đan lưới 15 x 20 cm (hình 7). 
Hình 6. Cốt thanh FRP của dầm. 
Hình 7. Cốt thanh FRP của bản. 
Các cấu kiện dầm và bản bê tông cốt 
thanh FRP được đúc và bảo dưỡng trong điều 
kiện tiêu chuẩn sau 28 ngày thì tiến hành thí 
nghiệm khả năng cường độ chịu uốn (hình 8 
và hình 9). Kết quả thí nghiệm khả năng chịu 
uốn của ba dầm D1, D2 và D3 như hình 10, 
kết quả thí nghiệm khả năng chịu uốn của ba 
bản B1, B2 và B3 như trong hình 11 [5]. 
Hình 8. Thí nghiệm xác định khả năng chịu uốn của 
dầm bê tông cốt thanh FRP. 
Hình 9. Thí nghiệm chịu uốn của bản bê tông cốt 
thanh FRP. 
Hình 10. Khả năng chịu uốn của dầm bê tông cốt 
thanh FRP. 
Hình 11. Khả năng chịu uốn của bản bê tông cốt 
thanh FRP. 
 64 
Journal of Transportation Science and Technology, Vol 35, Feb 2020 
Từ kết quả thí nghiệm khả năng chịu lực 
của dầm và bản bê tông sử dụng cốt thanh FRP 
thay cho cốt thép có thể rút ra nhận xét sau: 
1) Khả năng chịu lực của ba dầm D1, D2 
và D3 là khá giống nhau, dầm bị phá hoại khi 
tải trọng đạt gần 1,9 tấn, các dầm có độ võng 
khá lớn trên 20 mm. Sau khi vết nứt xuất hiện 
tại vị trí giữa dầm (mặt bên dưới) khả năng 
chịu lực của các dầm còn tăng thêm nhiều với 
0,8 tấn; 
2) Khả năng chịu lực của ba bản D1, D2 
và D3 tương tự nhau, các bản bị phá hoại khi 
tải trọng đạt gần 2,5 tấn, các bản có độ võng 
khá lớn gần 30 mm. Sau khi vết nứt xuất hiện 
tại vị trí giữa bản (mặt bên dưới) khả năng 
chịu lực và chuyển vị của các bản còn tăng 
thêm gần gấp đôi; 
3) Các trường hợp phá hoại của cả dầm và 
bản trong thí nghiệm đều do bê tông ở vùng 
chịu nén. Vì vậy cần giảm đường kính cốt 
thanh FRP hoặc tăng chiều dày cấu kiện để tối 
ưu hóa khả năng chịu lực của vật liệu. 
5. Kết luận 
Sau thời gian nghiên cứu, chúng tôi đưa 
ra các kết luận và khuyến nghị như sau: 
- Việc đề xuất kết cấu mới sử dụng kết 
cấu khung kết hợp với bản bê tông cốt thanh 
FRP để xây dựng các công trình đê lấn biển sẽ 
mang lại hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cao; 
- Việc sử dụng thanh Composite cốt sợi 
thủy tinh để thay thế cho cốt thép trong công 
trình đê lấn biển bằng các cấu kiện bê tông cốt 
thanh FRP lắp ghép là hoàn toàn khả thi. Hiện 
nay đã có TCVN 11109:2015 và TCVN 
11110:2015 hướng dẫn chi tiết cho tính toán 
và bố trí cốt thanh FRP; 
- Chúng tôi đã đề xuất sơ bộ được phương 
án kết cấu mới sử dụng các cấu kiện bê tông 
FRP lắp ghép để làm đê lấn biển và thí nghiệm 
xác định được khả năng chịu lực của một số 
cấu kiện dầm và bản bê tông điển hình sử dụng 
cốt thanh FRP thay thế cho cốt thép; 
- Việc lựa chọn kết cấu, kích thước chính xác 
cho kết cấu lựa chọn phụ thuộc vào các yếu tố 
tải trọng tác dụng lên công trình, số liệu địa 
chất, địa hình và số liệu thủy hải văn nơi xây 
dựng công trình; 
- Chúng tôi cũng đã xây dựng mô hình thử 
nghiệm công trình với tỷ lệ 1/10 tại khu vực 
hồ huấn luyện của trường Đại học Hàng hải 
Việt Nam để so sánh với các kết quả tính toán 
theo mô hình toán học. Trong bài viết tiếp sau, 
chúng tôi tiếp tục công bố kết quả của mô hình 
thử nghiệm này 
Tài liệu tham khảo 
[1] Đặng Ngọc Thắng, Tổng quan về các kết cấu bảo 
vệ mái đê đã được sử dụng ở đê biển Nam Định, 
Tuyển tập hội thảo lần thứ nhất đề tài KC08-
15/06-10-Tháng 1/2010; 
[2] Giới thiệu một số giải pháp công nghệ mới trong 
công trình bảo vệ bờ sông (Nguồn: Tạp chí 
KH&CN Thủy lợi Viện KHTLVN); 
[3] ThS.Lê Thanh Chương, PGS.TS. Lê Mạnh Hùng, 
Một số giải pháp bảo vệ bờ sông, kênh, rạch ở các 
huyện phía tây tỉnh Tiền Giang. (Tuyển tập kết 
quả khoa học và công nghệ 2008); 
[4] Trần Đình Hòa (2011), Nghiên cứu kết cấu công 
trình và giải pháp xây dựng tuyến đê biển Vũng 
Tàu – Gò Công, Viện Khoa học Thủy lợi Việt 
Nam, Hà Nội; 
[5] Trần Long Giang et all (2019), Nghiên cứu đề xuất 
kết cấu mới dạng khung và bản bê tông cốt thanh 
FRP lắp ghép để xây dựng đê lấn biển, mã số 
DT194043; 
[6] TCVN 4253-2012, Nền các công trình thủy công. 
Tiêu chuẩn thiết kế; 
[7] TCVN 5574-2012, Kết cấu bê tông và bê tông cốt 
thép. Tiêu chuẩn thiết kế; 
[8] TCVN 11109:2015, Cốt Composite Polymer; 
[9] TCVN 11110 -2015, Cốt composite polymer - ứng 
dụng trong kết cấu bê tông và địa kỹ thuật. 
 Ngày nhận bài: 22/1/2020 
 Ngày chuyển phản biện: 30/1/2020 
 Ngày hoàn thành sửa bài: 19/2/2020 
 Ngày chấp nhận đăng: 26/2/2020