Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng tại Thành phố Hồ Chí Minh, các công trình xây dựng nhà ở có tầng hầm ngày càng phổ biến nhằm tận dụng tối đa diện tích đất hạn chế và đáp ứng nhu cầu đỗ xe. Theo ước tính, tỷ lệ công trình xây dựng có tầng hầm tại các khu vực trung tâm thành phố chiếm khoảng 30-40% tổng số dự án xây dựng mới. Tuy nhiên, việc thi công các công trình xây chen trong điều kiện không gian chật hẹp, địa chất phức tạp, đặc biệt là nền đất yếu và sét mềm, đặt ra nhiều thách thức về ổn định công trình và ảnh hưởng đến các công trình lân cận.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào phân tích và lựa chọn các giải pháp thi công ổn định công trình xây dựng có tầng hầm trong khu vực Thành phố Hồ Chí Minh, nhằm đảm bảo an toàn kết cấu móng và hạn chế ảnh hưởng tiêu cực đến các công trình xung quanh. Mục tiêu cụ thể của luận văn là đánh giá các phương pháp thi công phù hợp với điều kiện địa chất đặc thù, đồng thời đề xuất các biện pháp kỹ thuật nhằm nâng cao độ ổn định và an toàn trong quá trình thi công.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các công trình xây dựng nhà ở vừa và nhỏ có tầng hầm tại các khu vực xây chen của Thành phố Hồ Chí Minh, với thời gian khảo sát và phân tích từ năm 2018 đến 2021. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn giải pháp thi công hợp lý, góp phần giảm thiểu rủi ro sụt lún, biến dạng móng và đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận, từ đó nâng cao hiệu quả đầu tư và phát triển bền vững đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng các lý thuyết và mô hình cơ bản trong kỹ thuật xây dựng công trình ngầm, bao gồm:

  • Lý thuyết áp lực ngang đất: Phân loại áp lực ngang đất theo các trạng thái cân bằng khác nhau, bao gồm áp lực chặn đứng (áp lực chủ động) và áp lực bồi đứng (áp lực bị động), dựa trên các mô hình Mohr-Coulomb và Mohr-Rankine. Các khái niệm chính gồm áp lực chặn đứng, áp lực bồi đứng, góc ma sát trong đất, và lực dính đất.

  • Lý thuyết cân bằng giải hện của Sokolovski: Phân tích cân bằng lực trong đất và kết cấu chống giữ, giúp xác định các lực tác động lên hệ vây và móng công trình.

  • Mô hình vật liệu đất mềm và đất cứng: Sử dụng mô hình Soft Soil Model (SSM) và Hardening Soil Model (HS) để mô phỏng đặc tính biến dạng phi tuyến của đất nền trong quá trình thi công.

  • Lý thuyết ổn định công trình xây dựng ngầm: Bao gồm các phương pháp tính toán ổn định móng, kiểm tra khả năng chịu lực và biến dạng của hệ vây thép, thanh chống ngang, và các biện pháp gia cố nền đất.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng được sử dụng gồm: áp lực ngang đất, áp lực chặn đứng, áp lực bồi đứng, góc ma sát trong đất, lực dính đất, mô hình vật liệu đất, hệ vây thép, thanh chống ngang, và mô phỏng phần tử hữu hạn 3D.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ khảo sát thực tế các công trình xây dựng tầng hầm tại Thành phố Hồ Chí Minh, kết hợp với số liệu thí nghiệm đất và tài liệu kỹ thuật liên quan. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm khoảng 10 công trình xây chen có tầng hầm, đại diện cho các điều kiện địa chất và quy mô khác nhau.

Phương pháp phân tích chủ yếu là mô phỏng phần tử hữu hạn 3D bằng phần mềm Plaxis 3D phiên bản 20, cho phép mô phỏng chi tiết quá trình thi công, biến dạng và ứng suất trong đất và kết cấu. Phương pháp này được lựa chọn do khả năng mô phỏng chính xác các hiện tượng phức tạp trong đất nền mềm và đất cứng, đồng thời đánh giá được ảnh hưởng của thi công đến các công trình lân cận.

Quy trình nghiên cứu gồm các bước: khảo sát hiện trạng, thu thập số liệu địa chất, xây dựng mô hình số, phân tích ổn định công trình và lựa chọn giải pháp thi công phù hợp. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 2/2021 đến tháng 6/2021.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của điều kiện địa chất đến ổn định công trình: Qua mô phỏng, công trình xây dựng trên nền đất sét mềm có nguy cơ biến dạng lớn hơn khoảng 25% so với nền đất cứng, đặc biệt là tại giai đoạn đào hố móng sâu. Ứng suất và biến dạng đất nền tăng đáng kể khi chiều sâu đào vượt quá 3m.

  2. Hiệu quả của hệ vây thép và thanh chống ngang: Việc sử dụng hệ vây thép Larsen kết hợp với thanh chống ngang giúp giảm chuyển vị ngang của thành hố móng xuống dưới 10mm, giảm khoảng 40% so với trường hợp không có thanh chống. Điều này đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận trong phạm vi 5m.

  3. Tác động của thời gian thi công đến ổn định móng: Thời gian thi công kéo dài làm giảm áp lực nước lỗ rỗng và tăng độ ổn định của móng, tuy nhiên nếu thi công quá nhanh sẽ gây ra hiện tượng mất ổn định do áp lực đất chưa kịp phân bố lại. Mô hình cho thấy thời gian thi công hợp lý là từ 3 đến 6 tháng để đảm bảo ổn định.

  4. So sánh các giải pháp thi công: Giải pháp thi công kết hợp vây thép và gia cố nền đất bằng cọc khoan nhồi cho hiệu quả ổn định cao nhất, giảm biến dạng móng xuống dưới 15% so với giải pháp chỉ sử dụng vây thép. Tỷ lệ giảm biến dạng này giúp hạn chế rủi ro nứt kết cấu và ảnh hưởng đến công trình lân cận.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự khác biệt về ổn định công trình là do đặc tính cơ lý của đất nền và phương pháp thi công được áp dụng. Nền đất sét mềm có độ biến dạng lớn và khả năng chịu lực thấp, do đó cần các biện pháp gia cố và kiểm soát biến dạng chặt chẽ hơn. Kết quả mô phỏng phù hợp với các nghiên cứu gần đây về ảnh hưởng của nền đất yếu đến công trình xây dựng ngầm.

Việc sử dụng hệ vây thép Larsen và thanh chống ngang được chứng minh là giải pháp hiệu quả trong việc kiểm soát chuyển vị thành hố móng, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng đến các công trình lân cận. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này khẳng định vai trò quan trọng của việc thiết kế hệ vây và thanh chống phù hợp với điều kiện địa chất và quy mô công trình.

Thời gian thi công cũng là yếu tố quyết định đến độ ổn định của công trình. Thi công quá nhanh có thể gây ra áp lực đất không cân bằng, dẫn đến mất ổn định móng và nguy cơ sụt lún. Do đó, việc lập kế hoạch thi công hợp lý, kết hợp với giám sát chặt chẽ là cần thiết để đảm bảo an toàn.

Các kết quả có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị thành hố móng theo thời gian thi công, bảng so sánh biến dạng móng giữa các giải pháp thi công, và mô hình 3D thể hiện phân bố ứng suất trong đất nền.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng hệ vây thép Larsen kết hợp thanh chống ngang: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu giảm chuyển vị thành hố móng xuống dưới 10mm, thời gian thực hiện trong giai đoạn thi công đào móng, chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế.

  2. Gia cố nền đất bằng cọc khoan nhồi tại các khu vực đất yếu: Triển khai biện pháp gia cố nhằm tăng khả năng chịu lực và giảm biến dạng móng, mục tiêu giảm biến dạng móng ít nhất 15%, thời gian thực hiện trước khi thi công móng, chủ thể là nhà thầu thi công và đơn vị khảo sát địa chất.

  3. Lập kế hoạch thi công hợp lý, kiểm soát tiến độ thi công: Động từ hành động là "quản lý", mục tiêu đảm bảo thời gian thi công từ 3 đến 6 tháng để ổn định áp lực đất, chủ thể là chủ đầu tư và ban quản lý dự án.

  4. Giám sát chặt chẽ biến dạng và ứng suất trong quá trình thi công: Triển khai hệ thống quan trắc tự động để theo dõi biến dạng thành hố móng và áp lực đất, mục tiêu phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định, thời gian liên tục trong suốt quá trình thi công, chủ thể là đơn vị tư vấn giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp lựa chọn giải pháp thi công phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp, giúp thiết kế móng và hệ vây an toàn.

  2. Nhà thầu thi công xây dựng: Tham khảo các biện pháp thi công ổn định, quy trình kiểm soát biến dạng và áp lực đất, từ đó nâng cao hiệu quả thi công và giảm thiểu rủi ro.

  3. Chuyên gia khảo sát địa chất công trình: Sử dụng kết quả phân tích mô hình và số liệu thực tế để đánh giá điều kiện nền đất, đề xuất biện pháp gia cố phù hợp.

  4. Chủ đầu tư và quản lý dự án: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định công trình, từ đó lập kế hoạch thi công hợp lý, giám sát tiến độ và chất lượng công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần sử dụng mô hình phần tử hữu hạn 3D trong nghiên cứu này?
    Mô hình phần tử hữu hạn 3D cho phép mô phỏng chính xác biến dạng và ứng suất trong đất và kết cấu, đặc biệt trong điều kiện địa chất phức tạp và không gian thi công hạn chế. Ví dụ, mô hình Plaxis 3D giúp đánh giá ảnh hưởng của thi công đến công trình lân cận một cách chi tiết.

  2. Giải pháp vây thép Larsen có ưu điểm gì trong thi công tầng hầm?
    Vây thép Larsen có khả năng chịu lực tốt, dễ thi công trong không gian hẹp và kết hợp hiệu quả với thanh chống ngang để kiểm soát chuyển vị thành hố móng, giảm thiểu ảnh hưởng đến các công trình xung quanh.

  3. Thời gian thi công ảnh hưởng thế nào đến ổn định công trình?
    Thi công quá nhanh có thể gây áp lực đất không cân bằng, dẫn đến mất ổn định móng và sụt lún. Thời gian thi công hợp lý từ 3 đến 6 tháng giúp áp lực đất phân bố lại, tăng độ ổn định công trình.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các thành phố khác không?
    Kết quả nghiên cứu có thể áp dụng cho các đô thị có điều kiện địa chất tương tự, đặc biệt là nền đất yếu và không gian xây dựng chật hẹp, tuy nhiên cần điều chỉnh theo đặc điểm địa phương.

  5. Làm thế nào để giám sát biến dạng trong quá trình thi công?
    Sử dụng hệ thống quan trắc tự động gồm cảm biến chuyển vị, áp lực đất và mực nước ngầm để theo dõi biến dạng và áp lực đất liên tục, giúp phát hiện sớm các dấu hiệu mất ổn định và điều chỉnh kịp thời.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phân tích và lựa chọn được các giải pháp thi công ổn định công trình xây dựng tầng hầm trong điều kiện xây chen tại Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Hệ vây thép Larsen kết hợp thanh chống ngang và gia cố nền đất bằng cọc khoan nhồi là các biện pháp hiệu quả nhất.
  • Thời gian thi công hợp lý và giám sát chặt chẽ là yếu tố quan trọng đảm bảo an toàn công trình.
  • Mô hình phần tử hữu hạn 3D Plaxis là công cụ hữu ích trong việc đánh giá và dự báo biến dạng, ứng suất trong quá trình thi công.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý thi công nhằm nâng cao độ ổn định và giảm thiểu rủi ro cho các công trình xây chen có tầng hầm.

Next steps: Áp dụng các giải pháp đề xuất vào thực tế thi công, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng phạm vi và điều kiện địa chất khác nhau.

Call-to-action: Các nhà thiết kế, thi công và quản lý dự án nên tích hợp kết quả nghiên cứu này vào quy trình làm việc để nâng cao hiệu quả và an toàn công trình xây dựng ngầm.