Tổng quan nghiên cứu

Việc thi công hố đào sâu trong nền đất yếu tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh ngày càng trở nên phổ biến do nhu cầu xây dựng các công trình ngầm như tầng hầm kỹ thuật, bãi đậu xe ngầm và hệ thống giao thông ngầm. Tuy nhiên, quá trình thi công này thường gặp phải các sự cố nghiêm trọng như cọc bị nghiêng lệch, gãy hoặc trồi lên, gây ảnh hưởng lớn đến an toàn và tiến độ công trình. Tại khu vực Quận 8, TP. Hồ Chí Minh, khảo sát địa chất cho thấy lớp đất yếu dày khoảng 25m với chỉ số SPT rất thấp, làm tăng nguy cơ phá hoại cọc trong quá trình thi công hố đào sâu. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích sự phá hoại của cọc bên trong hố đào trong nền đất yếu, tập trung vào việc đánh giá chuyển vị ngang và mômen uốn của cọc khi thi công hố đào sâu, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm hạn chế rủi ro. Nghiên cứu sử dụng phần mềm PLAXIS 3D Foundation để mô phỏng ứng xử của cọc trong quá trình thi công, so sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu quan trắc thực tế tại hiện trường. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công trình tại TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2012-2013, đặc biệt là công trình tại Quận 8 với lớp đất yếu dày 25m. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công móng cọc trong điều kiện đất yếu, góp phần giảm thiểu thiệt hại kinh tế và đảm bảo an toàn công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình nghiên cứu sau:

  • Mô hình Mohr-Coulomb (MC): Mô hình cơ bản mô phỏng ứng xử đàn hồi - dẻo của đất, sử dụng 5 thông số cơ bản gồm mô đun Young, hệ số Poisson, góc ma sát trong, lực dính và góc giãn nở. Mô hình này giả định đất có mặt ngưỡng dẻo không thay đổi theo biến dạng, phù hợp cho phân tích ứng suất và biến dạng trong đất nền.

  • Mô hình Hardening Soil (HS): Mô hình nâng cao mô phỏng ứng xử phi tuyến, không đàn hồi và phụ thuộc ứng suất của đất, cho phép mô phỏng biến dạng thể tích tái bền và biến dạng cắt dẻo. Mô hình này sử dụng các thông số như độ cứng gia tải ba trục, độ cứng nén lại và độ cứng gia tải nén cố kết, giúp dự đoán chính xác hơn ứng xử đất mềm và đất cứng trong điều kiện thi công thực tế.

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Được áp dụng để mô phỏng quá trình thi công hố đào sâu và ảnh hưởng đến cọc bên trong hố đào. Phần mềm PLAXIS 3D Foundation được sử dụng để xây dựng mô hình 3D, phân tích ứng suất, biến dạng, chuyển vị và mômen uốn của cọc trong các giai đoạn thi công.

  • Khái niệm chính: Chuyển vị ngang của đất và cọc, mômen uốn trong cọc, ảnh hưởng của chiều sâu tường chắn, khoảng cách cọc đến tường, và tác động của khối đất đắp gần hố đào.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu khảo sát địa chất thực tế tại công trình Quận 8, TP. Hồ Chí Minh, bao gồm các thông số SPT, đặc tính cơ lý của đất, kết quả quan trắc chuyển vị cọc ngoài hiện trường.

  • Phương pháp chọn mẫu: Lựa chọn công trình điển hình có lớp đất yếu dày 25m và sử dụng cọc ống ly tâm ứng suất trước làm móng, đại diện cho các công trình xây dựng trên nền đất yếu tại TP. Hồ Chí Minh.

  • Phương pháp phân tích: Mô phỏng bằng phần mềm PLAXIS 3D Foundation với mô hình Hardening Soil để phân tích ứng xử của cọc trong quá trình thi công hố đào sâu. Các bước mô phỏng bao gồm xây dựng mô hình địa tầng, mô hình kết cấu cọc và tường chắn, chia lưới phần tử hữu hạn với số lượng nút tối ưu (khoảng 20.000-30.000 nút) để đảm bảo độ chính xác và hiệu quả tính toán.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích kết quả và so sánh với quan trắc thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chuyển vị ngang của cọc tăng theo độ sâu đào: Kết quả mô phỏng cho thấy chuyển vị ngang lớn nhất của cọc đạt khoảng 60cm khi đào đến cao độ đáy đài móng tại công trình Quận 8. So với dữ liệu quan trắc ngoài hiện trường, kết quả mô phỏng tương đồng với sai số dưới 10%, chứng tỏ mô hình PLAXIS 3D Foundation có độ tin cậy cao.

  2. Mômen uốn trong cọc vượt quá giới hạn chịu lực: Mômen uốn lớn nhất trong cọc tại vị trí tiếp giáp giữa lớp đất sét yếu và đất cứng vượt quá 100% khả năng chịu mômen uốn gây nứt của cọc, dẫn đến hiện tượng nghiêng lệch và gãy cọc. Tỷ lệ mômen uốn tăng lên đến 36% so với mômen uốn cho phép trong một số trường hợp.

  3. Ảnh hưởng của khối đất đắp gần hố đào: Khi khối đất đắp được dời ra xa hố đào khoảng 12m, chuyển vị ngang của cọc giảm khoảng 20-30% so với trường hợp có khối đất đắp gần. Điều này cho thấy việc quản lý vị trí khối đất đắp là yếu tố quan trọng trong kiểm soát chuyển vị cọc.

  4. Tác động của chiều dài ngàm tường chắn: Tăng chiều dài ngàm tường chắn vào đất nền làm giảm chuyển vị ngang và mômen uốn trong cọc từ 15% đến 25%, giúp cải thiện ổn định của cọc trong quá trình thi công hố đào sâu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính dẫn đến sự phá hoại cọc là do chuyển vị ngang quá mức của đất nền yếu gây ra mômen uốn vượt quá khả năng chịu lực của cọc. Kết quả mô phỏng và quan trắc thực tế đều cho thấy chuyển vị và mômen uốn tăng theo độ sâu đào, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của hố đào sâu đến cọc trong nền đất yếu. Việc sử dụng mô hình Hardening Soil trong PLAXIS 3D Foundation giúp mô phỏng chính xác ứng xử phi tuyến của đất mềm, từ đó dự đoán được các trạng thái ứng suất và biến dạng phức tạp trong quá trình thi công. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tương đồng với báo cáo của Thasnanipan (1998) và Kok (2009) về vị trí mômen uốn lớn nhất tại mặt tiếp giáp giữa lớp đất yếu và đất cứng, cũng như tỷ lệ mômen uốn vượt quá giới hạn chịu lực. Biểu đồ chuyển vị ngang và mômen uốn có thể được trình bày qua các bảng và đồ thị thể hiện sự thay đổi theo giai đoạn thi công và các biến đổi về điều kiện biên như vị trí khối đất đắp và chiều dài ngàm tường chắn. Những phát hiện này có ý nghĩa quan trọng trong việc lập kế hoạch thi công và thiết kế biện pháp chống đỡ nhằm hạn chế phá hoại cọc, đồng thời giảm thiểu thiệt hại kinh tế và đảm bảo an toàn công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu vị trí khối đất đắp: Đề nghị di dời khối đất đắp xa hố đào ít nhất 12m để giảm chuyển vị ngang của cọc từ 20-30%, giúp hạn chế mômen uốn vượt giới hạn. Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công, thời gian áp dụng ngay trong giai đoạn chuẩn bị thi công.

  2. Tăng chiều dài ngàm tường chắn: Thiết kế tường chắn có chiều dài ngàm sâu hơn vào đất nền để giảm chuyển vị và mômen uốn trong cọc từ 15-25%. Chủ thể thực hiện là đơn vị thiết kế kết cấu, áp dụng trong giai đoạn thiết kế và thi công.

  3. Sử dụng phần mềm mô phỏng PLAXIS 3D Foundation: Áp dụng mô phỏng phần tử hữu hạn để dự đoán ứng xử cọc và đất nền trước khi thi công, giúp lập kế hoạch thi công chính xác và phòng tránh sự cố. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát, áp dụng trong giai đoạn chuẩn bị dự án.

  4. Giám sát chuyển vị cọc và đất nền liên tục: Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị cọc và đất nền trong suốt quá trình thi công để phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường, từ đó có biện pháp xử lý kịp thời. Chủ thể thực hiện là đơn vị giám sát và chủ đầu tư, áp dụng xuyên suốt quá trình thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp mô phỏng ứng xử cọc trong nền đất yếu, hỗ trợ thiết kế móng cọc và tường chắn phù hợp với điều kiện thi công hố đào sâu.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm: Tham khảo các giải pháp kỹ thuật và biện pháp thi công nhằm hạn chế phá hoại cọc, đồng thời áp dụng các khuyến nghị về quản lý khối đất đắp và giám sát chuyển vị.

  3. Chuyên gia tư vấn giám sát: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch quan trắc chuyển vị cọc và đất nền, đánh giá rủi ro và đề xuất biện pháp xử lý kịp thời trong quá trình thi công.

  4. Nhà quản lý dự án và chủ đầu tư: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn móng cọc trong nền đất yếu, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giám sát chặt chẽ tiến độ và chất lượng thi công nhằm giảm thiểu thiệt hại kinh tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cọc bị nghiêng lệch và gãy trong quá trình thi công hố đào sâu?
    Chuyển vị ngang quá mức của đất nền yếu tạo ra mômen uốn lớn trong cọc, vượt quá khả năng chịu lực, dẫn đến nghiêng lệch và gãy cọc. Ví dụ tại công trình Quận 8, chuyển vị ngang cọc lên đến 60cm và mômen uốn vượt 100% giới hạn chịu lực.

  2. Phần mềm PLAXIS 3D Foundation có vai trò gì trong nghiên cứu?
    PLAXIS 3D Foundation sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng ứng xử đất và cọc trong không gian ba chiều, giúp dự đoán chính xác chuyển vị và mômen uốn trong cọc theo các giai đoạn thi công, từ đó hỗ trợ thiết kế và lập kế hoạch thi công.

  3. Ảnh hưởng của khối đất đắp gần hố đào đến cọc như thế nào?
    Khối đất đắp gần hố đào tạo ra tải trọng phụ lên cọc, làm tăng chuyển vị ngang và mômen uốn. Việc dời khối đất đắp ra xa hố đào khoảng 12m có thể giảm chuyển vị cọc từ 20-30%, giúp hạn chế phá hoại.

  4. Chiều dài ngàm tường chắn ảnh hưởng ra sao đến ổn định cọc?
    Tăng chiều dài ngàm tường chắn vào đất nền giúp giảm chuyển vị và mômen uốn trong cọc từ 15-25%, cải thiện khả năng chịu lực và ổn định của cọc trong quá trình thi công hố đào sâu.

  5. Làm thế nào để giám sát và phòng tránh sự cố cọc trong thi công hố đào?
    Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị cọc và đất nền liên tục, sử dụng mô phỏng phần tử hữu hạn để dự đoán ứng xử công trình trước thi công, đồng thời quản lý vị trí khối đất đắp và thiết kế tường chắn phù hợp là các biện pháp hiệu quả để phòng tránh sự cố.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã phân tích thành công sự phá hoại của cọc bên trong hố đào sâu trong nền đất yếu tại TP. Hồ Chí Minh, đặc biệt là công trình Quận 8 với lớp đất yếu dày 25m.
  • Kết quả mô phỏng bằng PLAXIS 3D Foundation cho thấy chuyển vị ngang và mômen uốn trong cọc vượt quá giới hạn chịu lực, phù hợp với quan trắc thực tế.
  • Ảnh hưởng của khối đất đắp gần hố đào và chiều dài ngàm tường chắn là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến ổn định cọc.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật như tối ưu vị trí khối đất đắp, tăng chiều dài ngàm tường chắn, áp dụng mô phỏng phần tử hữu hạn và giám sát chuyển vị liên tục nhằm hạn chế phá hoại cọc.
  • Khuyến nghị áp dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế và thi công các công trình móng cọc trên nền đất yếu, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các điều kiện địa chất và công trình khác.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị thiết kế, thi công và giám sát nên áp dụng mô hình mô phỏng và các giải pháp đề xuất để nâng cao hiệu quả và an toàn thi công hố đào sâu. Chủ đầu tư cần tăng cường giám sát và đầu tư cho hệ thống quan trắc chuyển vị nhằm phát hiện sớm và xử lý kịp thời các sự cố.