Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ các công trình ngầm tại các đô thị lớn, việc thi công tầng hầm nhà cao tầng ngày càng trở nên phổ biến và đòi hỏi kỹ thuật thi công tiên tiến, an toàn. Theo ước tính, các công trình ngầm tại Việt Nam hiện nay thường có độ sâu đào từ 6 đến 12 mét, với yêu cầu kiểm soát chuyển vị tường vây rất nghiêm ngặt nhằm đảm bảo an toàn cho công trình và các công trình lân cận. Phương pháp thi công Top-Down được áp dụng rộng rãi do khả năng thi công đồng thời phần ngầm và phần thân công trình, giúp rút ngắn thời gian thi công và giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường xung quanh.

Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng của độ cứng sàn đến chuyển vị và nội lực hệ tường vây bê tông cốt thép trong giai đoạn thi công tầng hầm theo phương pháp Top-Down. Mục tiêu nghiên cứu là làm rõ mối quan hệ giữa độ cứng sàn và sự biến dạng, nội lực của hệ tường vây, từ đó đề xuất phương pháp tính toán chính xác hơn, đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các công trình ngầm có sử dụng tường vây bê tông cốt thép, áp dụng công nghệ thi công Top-Down tại các đô thị lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2015-2019.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao độ chính xác của các mô hình tính toán kết cấu tường vây, góp phần giảm thiểu rủi ro trong thi công, đồng thời hỗ trợ các nhà thiết kế và thi công trong việc lựa chọn giải pháp kỹ thuật phù hợp, tối ưu chi phí và thời gian thi công.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính:

  1. Lý thuyết tính toán kết cấu tường vây bê tông cốt thép: Tường vây được xem như hệ kết cấu chịu tải trọng ngang từ đất và nước ngầm, đồng thời chịu tải trọng dọc từ các sàn bê tông cốt thép làm gối chống. Các khái niệm chính bao gồm áp lực đất chủ động và bị động, áp lực nước ngầm, chuyển vị ngang của tường vây, và nội lực trong thân tường và thanh chống.

  2. Mô hình tính toán bằng phần mềm Plaxis: Phương pháp phần tử hữu hạn được sử dụng để mô phỏng sự tương tác giữa đất và kết cấu tường vây, đồng thời phân tích ảnh hưởng của độ cứng sàn đến chuyển vị và nội lực. Các khái niệm như ma trận độ cứng, ma trận chuyển vị, và ma trận nội suy biến dạng được áp dụng để mô hình hóa chính xác quá trình thi công và vận hành.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng gồm: tường vây bê tông cốt thép, áp lực đất chủ động và bị động, độ cứng sàn, chuyển vị ngang, nội lực thân tường, phương pháp thi công Top-Down, và mô hình phần tử hữu hạn.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các công trình thi công tầng hầm thực tế tại Hà Nội và Thành phố Hồ Chí Minh, kết hợp với tài liệu kỹ thuật, báo cáo khoa học và các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm 5 công trình lớn áp dụng phương pháp thi công Top-Down với chiều sâu đào từ 6 đến 10 mét.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis phiên bản 8.5 để mô phỏng quá trình thi công và phân tích ảnh hưởng của độ cứng sàn đến chuyển vị và nội lực hệ tường vây. Các mô hình được xây dựng với các tham số địa chất thực tế, bao gồm trọng lượng riêng đất, góc ma sát trong, và mực nước ngầm. Phương pháp tính toán dựa trên lý thuyết đàn hồi và lý thuyết biến dạng cùng, kết hợp với các phương pháp tính toán truyền thống như phương pháp Sachipana và phương pháp đàn hồi Nhật Bản để đối chiếu kết quả.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong 12 tháng, bao gồm các giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ cứng sàn đến chuyển vị ngang của tường vây: Kết quả mô phỏng cho thấy khi độ cứng sàn tăng lên 20%, chuyển vị ngang của tường vây giảm trung bình khoảng 15%. Đặc biệt, với sàn có lỗ mở chiếm 24% diện tích, chuyển vị tăng lên khoảng 10% so với sàn liền, trong khi với lỗ mở chiếm 33,91% diện tích, chuyển vị tăng đến 18%.

  2. Nội lực trong hệ tường vây: Nội lực thân tường và lực trục thanh chống có xu hướng giảm khi độ cứng sàn tăng. Cụ thể, lực trục thanh chống giảm khoảng 12% khi độ cứng sàn tăng 25%, giúp giảm áp lực lên hệ chống và tăng độ ổn định của kết cấu.

  3. Ảnh hưởng của lỗ mở trên sàn: Lỗ mở lớn làm suy giảm độ cứng sàn, dẫn đến tăng chuyển vị và nội lực trong tường vây. Mô hình cho thấy lỗ mở chiếm 33,91% diện tích sàn làm tăng nội lực thân tường lên đến 20% so với sàn không có lỗ mở.

  4. So sánh các phương pháp tính toán: Kết quả tính toán bằng Plaxis tương đồng với phương pháp Sachipana và phương pháp đàn hồi Nhật Bản, với sai số dưới 5%, chứng tỏ tính chính xác và khả thi của mô hình phần tử hữu hạn trong phân tích kết cấu tường vây.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm chuyển vị và nội lực khi tăng độ cứng sàn là do sàn bê tông cốt thép hoạt động như gối chống hiệu quả, phân phối tải trọng và hạn chế biến dạng ngang của tường vây. Lỗ mở trên sàn làm giảm khả năng chịu lực và độ cứng tổng thể, dẫn đến tăng chuyển vị và nội lực, điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của cấu trúc sàn đến kết cấu tường vây.

Việc sử dụng mô hình phần tử hữu hạn giúp mô phỏng chính xác quá trình thi công và tương tác đất-kết cấu, cung cấp dữ liệu chi tiết về phân bố nội lực và chuyển vị theo từng giai đoạn thi công. Biểu đồ tải trọng và chuyển vị theo chiều sâu tường vây minh họa rõ ràng sự ảnh hưởng của độ cứng sàn và lỗ mở, hỗ trợ việc đánh giá và thiết kế kết cấu.

Kết quả nghiên cứu góp phần hoàn thiện phương pháp tính toán kết cấu tường vây bê tông cốt thép trong thi công Top-Down, nâng cao độ an toàn và hiệu quả thi công các công trình ngầm tại đô thị.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường độ cứng sàn bê tông cốt thép: Khuyến nghị thiết kế sàn có độ cứng tối thiểu tăng 20% so với tiêu chuẩn hiện hành nhằm giảm chuyển vị và nội lực hệ tường vây, áp dụng trong vòng 6 tháng đầu giai đoạn thiết kế, do các đơn vị thiết kế kết cấu thực hiện.

  2. Hạn chế diện tích lỗ mở trên sàn: Đề xuất giới hạn diện tích lỗ mở không vượt quá 25% diện tích sàn để đảm bảo độ cứng và ổn định kết cấu, áp dụng trong quá trình thi công và giám sát, do nhà thầu thi công và tư vấn giám sát phối hợp thực hiện.

  3. Sử dụng mô hình phần tử hữu hạn trong thiết kế và kiểm tra: Áp dụng phần mềm Plaxis hoặc tương đương để mô phỏng và đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố kết cấu và địa chất, giúp tối ưu thiết kế và đảm bảo an toàn, thực hiện trong giai đoạn thiết kế và giám sát thi công.

  4. Giám sát chuyển vị và nội lực trong quá trình thi công: Lắp đặt hệ thống cảm biến đo chuyển vị và nội lực tại các vị trí trọng yếu để theo dõi sát sao, phát hiện sớm các hiện tượng bất thường, đảm bảo an toàn công trình, triển khai trong toàn bộ quá trình thi công, do chủ đầu tư và nhà thầu phối hợp thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nghiên cứu giúp hiểu rõ ảnh hưởng của độ cứng sàn và lỗ mở đến chuyển vị và nội lực tường vây, từ đó tối ưu thiết kế kết cấu tầng hầm theo phương pháp Top-Down.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm: Áp dụng các giải pháp kỹ thuật và biện pháp thi công phù hợp nhằm kiểm soát chuyển vị và đảm bảo an toàn trong quá trình thi công tầng hầm.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch giám sát chuyển vị, nội lực và các yếu tố ảnh hưởng trong thi công, đảm bảo tiến độ và chất lượng công trình.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Tham khảo phương pháp nghiên cứu, mô hình tính toán và kết quả phân tích để phát triển các nghiên cứu tiếp theo về công nghệ thi công và kết cấu tầng hầm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp Top-Down có ưu điểm gì so với Bottom-Up?
    Phương pháp Top-Down cho phép thi công đồng thời phần ngầm và phần thân công trình, rút ngắn thời gian thi công và giảm thiểu ảnh hưởng đến môi trường xung quanh. Ví dụ, công trình Royal City tại Hà Nội đã áp dụng thành công phương pháp này, giảm thời gian thi công tầng hầm khoảng 30%.

  2. Độ cứng sàn ảnh hưởng như thế nào đến chuyển vị tường vây?
    Độ cứng sàn càng lớn thì chuyển vị ngang của tường vây càng giảm, do sàn hoạt động như gối chống hiệu quả. Nghiên cứu cho thấy tăng độ cứng sàn 20% có thể giảm chuyển vị tường vây khoảng 15%.

  3. Lỗ mở trên sàn có tác động gì đến kết cấu?
    Lỗ mở làm giảm độ cứng sàn, dẫn đến tăng chuyển vị và nội lực trong tường vây. Khi diện tích lỗ mở chiếm khoảng 33,91% diện tích sàn, chuyển vị tường vây tăng lên đến 18% so với sàn liền.

  4. Phần mềm Plaxis được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Plaxis mô phỏng tương tác đất-kết cấu bằng phương pháp phần tử hữu hạn, giúp phân tích chính xác chuyển vị và nội lực trong quá trình thi công, hỗ trợ thiết kế và giám sát công trình.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chuyển vị trong thi công tầng hầm?
    Kiểm soát chuyển vị thông qua thiết kế tăng cường độ cứng sàn, hạn chế lỗ mở, sử dụng mô hình tính toán chính xác và giám sát chuyển vị thực tế bằng cảm biến trong suốt quá trình thi công.

Kết luận

  • Độ cứng sàn bê tông cốt thép có ảnh hưởng rõ rệt đến chuyển vị và nội lực hệ tường vây trong thi công tầng hầm theo phương pháp Top-Down.
  • Lỗ mở trên sàn làm giảm độ cứng, tăng chuyển vị và nội lực, cần được kiểm soát chặt chẽ trong thiết kế và thi công.
  • Mô hình phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis cho kết quả chính xác, phù hợp để áp dụng trong thiết kế và giám sát thi công.
  • Các giải pháp kỹ thuật đề xuất giúp nâng cao độ an toàn và hiệu quả thi công các công trình ngầm tại đô thị.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển phương pháp tính toán kết cấu tường vây chính xác hơn, hỗ trợ các nhà thiết kế và thi công trong tương lai.

Next steps: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế và thi công thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng ảnh hưởng của các yếu tố khác như tải trọng động và điều kiện địa chất phức tạp.

Call to action: Các đơn vị thiết kế, thi công và quản lý dự án nên tích hợp mô hình tính toán và giám sát chuyển vị trong quy trình làm việc để đảm bảo an toàn và hiệu quả công trình.