Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị hiện đại, việc khai thác không gian ngầm ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Theo ước tính, các công trình hố đào sâu với độ sâu lên đến 14,3m và diện tích mặt bằng lớn đang được xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển hạ tầng. Tuy nhiên, quá trình thi công các hố đào sâu trong điều kiện địa chất phức tạp, đặc biệt là nền đất yếu và mực nước ngầm cao, đã gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng như chuyển vị ngang của tường vây và lún đất nền vượt giới hạn cho phép, ảnh hưởng đến an toàn các công trình lân cận.

Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng của việc hạ mực nước ngầm trong quá trình thi công hố đào sâu đến ứng xử của tường Barrette và đất nền xung quanh, nhằm đảm bảo sự ổn định cho công trình và khu vực lân cận. Nghiên cứu được thực hiện trên công trình thực tế tại TP. Hồ Chí Minh với quy mô 22 tầng cao và 3 tầng hầm, sử dụng phương pháp thi công Bottom-up với hệ thống tường vây dày 0,6m và ba hệ chống shoring. Mục tiêu cụ thể là lựa chọn thông số địa chất phù hợp, mô phỏng chuyển vị ngang tường vây và lún đất nền, đồng thời đánh giá tác động của việc hạ mực nước ngầm thông qua so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của các mô hình phân tích, góp phần giảm thiểu rủi ro trong thi công hố đào sâu, bảo vệ an toàn công trình và môi trường xung quanh, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và thi công các công trình ngầm trong điều kiện địa chất phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết dòng chảy trong đất và mô hình cơ học đất nền Hardening Soil. Lý thuyết dòng chảy mô tả các loại dòng chảy có thể xảy ra dưới chân tường vây, bao gồm dòng chảy qua khe hở, dọc theo mặt tiếp xúc và dưới chân tường, ảnh hưởng trực tiếp đến áp lực nước và chuyển vị đất nền. Các phương trình tính toán lưu lượng nước thấm qua tường vây được xây dựng dựa trên các mô hình toán học như elip và hyperbol, với các biến số đặc trưng như chiều sâu tường, chiều dày lớp thấm và hệ số thấm.

Mô hình Hardening Soil được sử dụng để mô phỏng ứng xử cơ học của đất nền trong quá trình thi công. Đây là mô hình đàn hồi - dẻo, tuân theo quy luật hyperbol, cho phép mô phỏng chính xác biến dạng dẻo và đàn hồi của đất cát và sét quá cố kết. Các thông số chính bao gồm mô đun biến dạng thứ cấp Eso, mô đun tiếp tuyến Esa, số mũ m trong quan hệ ứng suất-biến dạng, mô đun biến dạng Ey và các thông số cơ lý như lực dính và góc ma sát trong. Mô hình này được hiệu chỉnh dựa trên kết quả thí nghiệm nén ba trục thoát nước tiêu chuẩn và nén một trục, đảm bảo tính thực tiễn và độ chính xác cao trong phân tích.

Ngoài ra, phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng thông qua phần mềm Plaxis để mô phỏng quá trình thi công hố đào, phân tích chuyển vị ngang tường vây và lún đất nền. Phương pháp này cho phép mô hình hóa tương tác kết cấu - đất với các điều kiện biên phức tạp, đồng thời tích hợp các thông số địa chất và thủy lực thực tế.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm hồ sơ khảo sát địa chất công trình thực tế tại TP. Hồ Chí Minh, số liệu quan trắc chuyển vị ngang tường vây và lún đất nền trong quá trình thi công, cùng các thông số kỹ thuật của tường vây, thanh chống và sàn bê tông cốt thép tầng hầm. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ dữ liệu thu thập từ công trình với độ sâu hố đào 14,3m, sử dụng hệ thống ba thanh chống shoring.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis, sử dụng mô hình Hardening Soil để mô phỏng đất nền và mô hình phần tử tiếp xúc để mô phỏng tương tác giữa tường Barrette và đất nền. Quá trình nghiên cứu được thực hiện theo timeline từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2014, bao gồm các bước: thu thập và xử lý số liệu thực tế, thiết lập mô hình phân tích, hiệu chỉnh thông số mô đun biến dạng đất dựa trên phân tích ngược so sánh với số liệu quan trắc, phân tích ảnh hưởng của việc hạ mực nước ngầm đến chuyển vị và lún đất nền, cuối cùng là tổng hợp kết quả và đề xuất giải pháp.

Phương pháp chọn mẫu và phân tích được lựa chọn nhằm đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng thực tiễn cao, đồng thời giúp kiểm chứng độ tin cậy của mô hình thông qua so sánh với số liệu thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chuyển vị ngang tường vây lớn nhất tại đáy hố đào: Kết quả quan trắc thực tế và mô phỏng cho thấy chuyển vị ngang của tường Barrette đạt giá trị lớn nhất gần khu vực đáy hố đào, với giá trị chuyển vị có thể lên đến khoảng vài milimet, vượt quá giới hạn cho phép trong một số giai đoạn thi công.

  2. Lún đất nền xung quanh hố đào đáng kể: Lún mặt đất xung quanh hố đào được ghi nhận lớn nhất cách tường vây khoảng 5m, với mức lún tăng dần theo thời gian thi công và mức độ hạ mực nước ngầm. Số liệu quan trắc cho thấy lún có thể đạt đến vài centimet, gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến các công trình lân cận.

  3. Ảnh hưởng rõ rệt của việc hạ mực nước ngầm: Việc hạ mực nước ngầm trong quá trình thi công làm giảm cao độ nước ngầm bên ngoài hố đào, dẫn đến tăng chuyển vị ngang tường vây và lún đất nền xung quanh. Mức độ ảnh hưởng tỷ lệ thuận với lưu lượng bơm hút nước, với sự gia tăng chuyển vị và lún lên đến 20-30% so với trường hợp không hạ mực nước.

  4. Hiệu chỉnh mô đun biến dạng đất phù hợp: Phân tích ngược cho thấy mô đun biến dạng Eʸ' = 2300 kN/m² và E = 3Eʸ' trong khu vực địa chất nền cát cho kết quả mô phỏng sát với số liệu thực tế nhất, giúp nâng cao độ chính xác của mô hình phân tích.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của chuyển vị và lún đất nền là do sự thay đổi áp lực nước lỗ rỗng khi hạ mực nước ngầm, làm tăng ứng suất hữu hiệu trong đất nền, dẫn đến biến dạng dẻo và lún đất. Kết quả mô phỏng bằng mô hình Hardening Soil cho thấy khả năng mô phỏng chính xác các hiện tượng này, phù hợp với các nghiên cứu trước đây trên thế giới.

So sánh với các công trình tương tự tại các thành phố lớn như Hà Nội, Penang hay Sarawak, kết quả nghiên cứu khẳng định tầm quan trọng của việc kiểm soát mực nước ngầm và lựa chọn thông số mô hình phù hợp để đảm bảo an toàn thi công. Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn kết hợp hiệu chỉnh mô đun biến dạng đất giúp dự báo chính xác chuyển vị và lún, từ đó đưa ra các biện pháp thi công phù hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị ngang tường vây theo chiều sâu hố đào và biểu đồ lún đất nền theo khoảng cách từ tường vây, giúp trực quan hóa mức độ ảnh hưởng của việc hạ mực nước ngầm và các giai đoạn thi công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát chặt chẽ lưu lượng bơm hút nước ngầm: Đề xuất giảm lưu lượng bơm hút nước trong quá trình thi công để hạn chế sự hạ thấp mực nước ngầm quá mức, từ đó giảm chuyển vị tường vây và lún đất nền. Thời gian thực hiện: trong suốt quá trình thi công hố đào. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và tư vấn giám sát.

  2. Sử dụng mô hình Hardening Soil hiệu chỉnh: Áp dụng mô hình Hardening Soil với thông số mô đun biến dạng đã hiệu chỉnh (Eʸ' = 2300 kN/m², E = 3Eʸ') trong các phân tích thiết kế và dự báo chuyển vị, giúp nâng cao độ chính xác và an toàn công trình. Thời gian: áp dụng trong giai đoạn thiết kế và giám sát thi công. Chủ thể: đơn vị thiết kế và tư vấn giám sát.

  3. Lắp đặt hệ thống quan trắc chuyển vị và mực nước ngầm: Thiết lập hệ thống quan trắc liên tục để theo dõi chuyển vị tường vây và lún đất nền, cũng như biến động mực nước ngầm, nhằm phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường và điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời. Thời gian: từ trước khi thi công đến khi hoàn thành công trình. Chủ thể: chủ đầu tư và tư vấn giám sát.

  4. Áp dụng biện pháp chống thấm và gia cố đất: Sử dụng các biện pháp như cọc Jet Grouting hoặc tường chắn phụ trợ để giảm dòng chảy nước dưới chân tường vây, hạn chế sự mất ổn định đất nền và giảm chuyển vị. Thời gian: trong giai đoạn chuẩn bị và thi công hố đào. Chủ thể: nhà thầu thi công và đơn vị thiết kế.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích chính xác, giúp kỹ sư lựa chọn mô hình và thông số phù hợp trong thiết kế tường vây và hệ thống chống giữ hố đào sâu.

  2. Nhà thầu thi công hố đào: Các giải pháp kiểm soát mực nước ngầm và biện pháp thi công Bottom-up được trình bày chi tiết, hỗ trợ nhà thầu tối ưu quy trình thi công, giảm thiểu rủi ro chuyển vị và lún đất nền.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án: Hệ thống quan trắc và phân tích dữ liệu thực tế giúp chuyên gia giám sát đánh giá chính xác tình trạng công trình, từ đó đưa ra các cảnh báo và điều chỉnh kịp thời.

  4. Nghiên cứu sinh và học viên ngành Địa kỹ thuật xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình Hardening Soil, phương pháp phần tử hữu hạn và phân tích ảnh hưởng của hạ mực nước ngầm trong thi công công trình ngầm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Việc hạ mực nước ngầm ảnh hưởng như thế nào đến chuyển vị tường vây?
    Việc hạ mực nước ngầm làm giảm áp lực nước lỗ rỗng, tăng ứng suất hữu hiệu trong đất nền, dẫn đến chuyển vị ngang tường vây tăng lên đáng kể, đặc biệt gần đáy hố đào. Ví dụ tại công trình nghiên cứu, chuyển vị tăng khoảng 20-30% khi hạ mực nước.

  2. Mô hình Hardening Soil có ưu điểm gì so với mô hình Mohr-Coulomb?
    Mô hình Hardening Soil mô phỏng chính xác hơn ứng xử đàn hồi - dẻo của đất nền, đặc biệt trong điều kiện đất mềm và quá cố kết, giúp dự báo biến dạng và chuyển vị sát thực tế hơn so với mô hình Mohr-Coulomb đơn giản.

  3. Phương pháp Bottom-up trong thi công hố đào có điểm gì nổi bật?
    Phương pháp Bottom-up thi công từ đáy hố đào lên trên, kết hợp hệ thống tường vây và thanh chống, giúp kiểm soát chuyển vị và lún đất hiệu quả, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng đến công trình lân cận.

  4. Làm thế nào để hiệu chỉnh mô đun biến dạng đất trong mô hình?
    Hiệu chỉnh dựa trên phân tích ngược so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế, điều chỉnh mô đun biến dạng đến khi kết quả mô phỏng sát với chuyển vị và lún thực tế, như trong nghiên cứu với Eʸ' = 2300 kN/m².

  5. Tại sao cần lắp đặt hệ thống quan trắc trong thi công hố đào?
    Quan trắc giúp theo dõi biến động chuyển vị và mực nước ngầm liên tục, phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời, đảm bảo an toàn công trình và giảm thiểu rủi ro.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phân tích thành công ảnh hưởng của việc hạ mực nước ngầm đến chuyển vị tường Barrette và lún đất nền quanh hố đào sâu tại TP. Hồ Chí Minh.
  • Mô hình Hardening Soil với thông số mô đun biến dạng hiệu chỉnh cho kết quả mô phỏng sát với số liệu quan trắc thực tế, nâng cao độ tin cậy trong thiết kế và thi công.
  • Việc hạ mực nước ngầm làm tăng chuyển vị ngang tường vây và lún đất nền, ảnh hưởng đến an toàn công trình lân cận, cần được kiểm soát chặt chẽ.
  • Đề xuất các giải pháp thi công và giám sát phù hợp nhằm giảm thiểu rủi ro, bảo đảm ổn định công trình và môi trường xung quanh.
  • Các bước tiếp theo bao gồm áp dụng mô hình và giải pháp đề xuất vào các dự án thực tế, đồng thời phát triển hệ thống quan trắc tự động để nâng cao hiệu quả quản lý thi công.

Call-to-action: Các đơn vị thiết kế, thi công và giám sát công trình ngầm nên áp dụng kết quả nghiên cứu này để nâng cao an toàn và hiệu quả thi công, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các điều kiện địa chất và công nghệ thi công khác.