Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng, việc xác định hệ số nền theo phương ngang đóng vai trò quan trọng trong phân tích và thiết kế các công trình tường vây cho hồ đào sâu. Theo báo cáo của ngành, các công trình đào sâu hiện nay thường có độ sâu từ 10 đến 25 mét, đòi hỏi sự chính xác cao trong việc đánh giá ứng xử của tường vây và nền đất xung quanh. Nghiên cứu này tập trung vào việc xác định hệ số nền theo phương ngang dựa trên phương pháp dầm trên nền đàn hồi (BEF), kết hợp với chương trình tính toán VEX và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) qua phần mềm Plaxis.

Mục tiêu chính của luận văn là phát triển và kiểm chứng phương pháp xác định hệ số nền theo phương ngang, từ đó phân tích ứng xử của tường vây trong hồ đào sâu, đặc biệt là công trình Hud Tower tại Hà Nội với độ sâu đào lên đến 12 mét và chiều sâu tường vây 25 mét. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích số liệu quan trắc thực tế, mô phỏng bằng phần mềm VEX và Plaxis, đồng thời đánh giá độ chính xác của các phương pháp này so với kết quả thực tế.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp công cụ phân tích hiệu quả, giúp kỹ sư địa kỹ thuật đánh giá chính xác chuyển vị ngang của tường vây, từ đó đảm bảo an toàn và ổn định cho các công trình lân cận trong quá trình thi công đào sâu. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần hoàn thiện các phương pháp tính toán hệ số nền, giảm thiểu sai số trong thiết kế và thi công.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: mô hình dầm trên nền đàn hồi (BEF) và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Mô hình BEF, xuất phát từ lý thuyết Winkler (1867) và được phát triển bởi Terzaghi (1955), giả định nền đất là hệ thống các lò xo độc lập với hệ số nền k, biểu thị lực phản ứng của đất theo chuyển vị ngang. Phương trình của Ou (1997) được sử dụng để xác định hệ số nền theo phương ngang, trong đó hệ số này phụ thuộc vào đặc tính cơ lý của đất, chiều sâu ngàm của tường, bề rộng hồ đào và các thông số đàn hồi của đất.

Ba khái niệm chính được áp dụng gồm:

  • Hệ số nền theo phương ngang (kₕ): Tỷ lệ giữa áp lực đất ngang và chuyển vị ngang của nền đất.
  • Ứng xử ứng suất - biến dạng của đất: Mô tả sự phân bố ứng suất và biến dạng trong đất trước và dưới đáy tường vây.
  • Phương pháp lò xo hai bên và phương pháp Miyoshi: Hai cách mô phỏng áp lực đất ngang tác dụng lên tường vây, trong đó phương pháp Miyoshi xem xét phân bố áp lực đất chủ động và bị động theo dạng tam giác và hình thang.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu quan trắc chuyển vị ngang thực tế tại công trình Hud Tower, Hà Nội, cùng các thông số cơ lý của đất nền được khảo sát tại hiện trường. Phương pháp phân tích gồm:

  • Phân tích bằng phần mềm VEX: Áp dụng mô hình BEF với hệ số nền theo phương trình Ou (1997) để tính toán chuyển vị ngang của tường vây qua các giai đoạn đào đất.
  • Phân tích bằng phần mềm Plaxis: Sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng ứng xử tường vây và đất nền, kiểm chứng độ chính xác của mô hình VEX.
  • So sánh kết quả với số liệu quan trắc: Đánh giá độ tin cậy của các phương pháp mô phỏng thông qua so sánh với kết quả đo thực tế.

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống tường vây và đất nền tại công trình Hud Tower, với các giai đoạn thi công được mô phỏng chi tiết từ đào đất lần 1 đến lần 4, tổng thời gian nghiên cứu kéo dài khoảng 5 tháng. Phương pháp chọn mẫu dựa trên khảo sát thực địa và số liệu quan trắc hiện trường, đảm bảo tính đại diện cho điều kiện địa chất và thi công thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chuyển vị ngang tường vây tăng dần theo các giai đoạn đào đất: Kết quả phân tích bằng VEX cho thấy chuyển vị ngang đỉnh tường tăng từ 20.09 mm ở giai đoạn đào đất lần 1 lên đến 41.17 mm ở giai đoạn đào đất lần 4. So với kết quả quan trắc thực tế, sai số của VEX khoảng 10-15%, trong khi Plaxis cho sai số nhỏ hơn, khoảng 8%.

  2. Ảnh hưởng của hệ số nền theo phương ngang: Hệ số nền kₕ dao động trong khoảng 2000 đến 3500 kN/m, phụ thuộc vào các yếu tố như hệ số Poisson, mô đun đàn hồi của đất, bề rộng hồ đào và độ sâu ngàm của tường. Cụ thể, kₕ tăng theo hệ số Poisson và mô đun đàn hồi, nhưng giảm khi bề rộng hồ đào và độ sâu ngàm tăng lên.

  3. So sánh phương pháp VEX và Plaxis: Phương pháp phần tử hữu hạn Plaxis cho kết quả chuyển vị ngang gần sát với số liệu quan trắc hơn, trong khi VEX có xu hướng đánh giá chuyển vị lớn hơn. Tuy nhiên, VEX có ưu điểm về thời gian tính toán nhanh và đơn giản trong việc nhập liệu.

  4. Ứng xử tường vây trong hồ đào sâu: Xu hướng chuyển vị ngang của tường vây gồm hai dạng chính: dịch chuyển vào trong hồ đào và uốn phồng tường. Ở các giai đoạn sau khi lắp giằng chống và thi công sàn hầm, xu hướng uốn phồng chiếm ưu thế, với vị trí chuyển vị lớn nhất ở độ sâu khoảng 10 m.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt giữa kết quả VEX và Plaxis là do mô hình BEF trong VEX đơn giản hóa nền đất thành các lò xo độc lập, chưa mô phỏng đầy đủ sự phân bố ứng suất phức tạp trong đất nền. Trong khi đó, Plaxis sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, mô phỏng chính xác hơn sự tương tác giữa đất và kết cấu.

Kết quả phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của đặc tính cơ lý đất và hình dạng hồ đào đến hệ số nền. Việc hệ số nền giảm khi bề rộng hồ đào tăng cho thấy sự phân bố ứng suất rộng hơn làm giảm áp lực tập trung lên tường vây. Đồng thời, sự tăng kₕ theo mô đun đàn hồi và hệ số Poisson phản ánh tính đàn hồi và khả năng chịu lực của đất nền.

Biểu đồ chuyển vị ngang qua các giai đoạn đào đất minh họa rõ xu hướng tăng dần chuyển vị, đồng thời bảng so sánh kết quả mô phỏng và quan trắc cho thấy độ chính xác của từng phương pháp. Điều này giúp kỹ sư lựa chọn công cụ phù hợp cho từng giai đoạn thiết kế và thi công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng kết hợp phương pháp BEF và FEM: Sử dụng chương trình VEX cho các phân tích nhanh, sơ bộ và Plaxis cho các phân tích chi tiết, đặc biệt trong các công trình có điều kiện địa chất phức tạp hoặc yêu cầu độ chính xác cao.

  2. Cập nhật hệ số nền theo đặc tính địa chất thực tế: Khuyến nghị tiến hành khảo sát địa chất kỹ lưỡng để xác định chính xác mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và cường độ kháng cắt không thoát nước nhằm tính toán hệ số nền phù hợp.

  3. Tăng cường quan trắc chuyển vị tường vây: Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị ngang và ứng suất đất trong quá trình thi công để điều chỉnh thiết kế và biện pháp thi công kịp thời, đảm bảo an toàn công trình.

  4. Nghiên cứu mở rộng về ảnh hưởng của hình dạng và kích thước hồ đào: Thực hiện các mô phỏng bổ sung với các hình dạng hồ đào khác nhau để hoàn thiện mô hình hệ số nền, từ đó nâng cao độ tin cậy trong thiết kế tường vây.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm, phối hợp giữa các đơn vị tư vấn thiết kế, nhà thầu thi công và các cơ quan quản lý xây dựng nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư địa kỹ thuật và thiết kế kết cấu: Luận văn cung cấp phương pháp xác định hệ số nền và phân tích ứng xử tường vây, hỗ trợ thiết kế các công trình đào sâu an toàn và hiệu quả.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm: Tham khảo để hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của quá trình thi công đến chuyển vị tường vây, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công phù hợp.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp thực nghiệm để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về tương tác kết cấu - đất nền.

  4. Cơ quan quản lý và giám sát xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá và kiểm soát chất lượng thi công, đảm bảo an toàn cho các công trình lân cận trong khu vực đào sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ số nền theo phương ngang là gì và tại sao quan trọng?
    Hệ số nền theo phương ngang (kₕ) là tỷ lệ giữa áp lực đất ngang và chuyển vị ngang của nền đất. Nó quan trọng vì ảnh hưởng trực tiếp đến thiết kế tường vây, giúp dự đoán chuyển vị và ứng suất trong quá trình đào sâu, đảm bảo an toàn công trình.

  2. Phương pháp BEF và FEM khác nhau như thế nào?
    BEF mô hình nền đất như hệ thống lò xo độc lập, đơn giản và nhanh chóng nhưng có thể thiếu chính xác trong điều kiện phức tạp. FEM mô phỏng chi tiết hơn bằng cách chia nhỏ mô hình thành phần tử, cho kết quả chính xác hơn nhưng tốn thời gian và dữ liệu đầu vào.

  3. Tại sao cần so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc?
    So sánh giúp kiểm chứng độ chính xác của mô hình tính toán, phát hiện sai số và điều chỉnh phương pháp phù hợp với điều kiện thực tế, từ đó nâng cao độ tin cậy trong thiết kế và thi công.

  4. Ảnh hưởng của đặc tính đất đến hệ số nền như thế nào?
    Đặc tính như mô đun đàn hồi, hệ số Poisson và cường độ kháng cắt không thoát nước ảnh hưởng đến độ cứng và khả năng chịu lực của đất, từ đó làm thay đổi giá trị hệ số nền theo phương ngang.

  5. Làm thế nào để giảm chuyển vị ngang của tường vây trong thi công?
    Có thể giảm chuyển vị bằng cách tăng độ cứng tường vây, bố trí hệ giằng chống hợp lý, kiểm soát quá trình đào đất từng bước và sử dụng các biện pháp gia cố đất nền phù hợp.

Kết luận

  • Luận văn đã phát triển và kiểm chứng thành công phương pháp xác định hệ số nền theo phương ngang dựa trên mô hình BEF kết hợp với chương trình VEX và FEM qua Plaxis.
  • Kết quả mô phỏng chuyển vị ngang tường vây phù hợp với số liệu quan trắc thực tế, với sai số trong khoảng 8-15%.
  • Hệ số nền theo phương ngang phụ thuộc vào đặc tính cơ lý đất, bề rộng hồ đào và độ sâu ngàm của tường, ảnh hưởng lớn đến ứng xử tường vây.
  • Phương pháp kết hợp BEF và FEM được khuyến nghị áp dụng để cân bằng giữa độ chính xác và hiệu quả tính toán trong thiết kế và thi công.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng hình dạng hồ đào và tăng cường quan trắc thực tế nhằm hoàn thiện mô hình và nâng cao độ tin cậy.

Để đảm bảo an toàn và hiệu quả cho các công trình đào sâu, các kỹ sư và nhà quản lý xây dựng nên áp dụng kết quả nghiên cứu này trong thực tiễn thiết kế và thi công.