Tổng quan nghiên cứu

Việc thi công các công trình ngầm, đặc biệt là hố đào sâu trong khu vực đất yếu, ngày càng trở nên phổ biến do nhu cầu phát triển đô thị và hạn chế về diện tích xây dựng. Tại thành phố Vĩnh Long, với đặc điểm địa chất chủ yếu là đất yếu, việc phân tích chuyển vị ngang của tường vây cừ Larsen trong các công trình hố đào sâu có ý nghĩa quan trọng nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công. Theo ước tính, chuyển vị ngang của tường vây có thể chiếm khoảng 0.5% chiều sâu hố đào, gây ảnh hưởng lớn đến sự ổn định của công trình. Nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của sự không cân bằng tải trọng bề mặt đến chuyển vị ngang của tường vây cừ Larsen, dựa trên một công trình thực tế tại phường 4, thành phố Vĩnh Long, trong giai đoạn thi công hố đào sâu.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là: (1) xác định các yếu tố cơ bản ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây trong khu vực đất yếu; (2) đánh giá tác động của tải trọng bề mặt không cân bằng đến chuyển vị ngang của tường vây cừ Larsen; (3) đề xuất các giải pháp thiết kế và thi công phù hợp nhằm giảm thiểu rủi ro chuyển vị lớn. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào công trình hố đào sâu tại Vĩnh Long, sử dụng dữ liệu khảo sát địa chất và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D V8.5. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn trong việc nâng cao độ chính xác của phân tích chuyển vị ngang, góp phần đảm bảo an toàn công trình và tiết kiệm chi phí thi công.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai mô hình nền đất chính: mô hình Mohr-Coulomb và mô hình Hardening Soil, được ứng dụng trong phần mềm Plaxis 2D để phân tích chuyển vị ngang của tường vây. Mô hình Mohr-Coulomb là mô hình đàn dẻo lý tưởng, đơn giản, phù hợp cho các phân tích sơ bộ nhưng có hạn chế trong việc mô phỏng ứng xử biến dạng nhỏ và tái bền của đất. Mô hình Hardening Soil tiên tiến hơn, mô phỏng được sự tái bền chống cắt và chống nén của đất, cho kết quả phân tích chính xác hơn trong các trường hợp đất yếu và tải trọng phức tạp.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

  • Chuyển vị ngang của tường vây: Biến dạng ngang của tường vây dưới tác động của tải trọng và áp lực đất nền.
  • Sự không cân bằng tải trọng bề mặt: Tải trọng phân bố không đều trên bề mặt đất xung quanh công trình, gây ra áp lực không đồng đều lên tường vây.
  • Phương pháp phân tử hữu hạn (FEM): Phương pháp số để mô phỏng và phân tích ứng xử của kết cấu và đất nền, cho phép mô phỏng chi tiết các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khảo sát địa chất tại công trình hố đào sâu ở phường 4, Vĩnh Long, cùng với các thông số cơ lý của đất nền được xác định qua thí nghiệm phòng và hiện trường. Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis 2D V8.5, áp dụng mô hình Hardening Soil và Mohr-Coulomb để mô phỏng chuyển vị ngang của tường vây cừ Larsen.

Quy trình nghiên cứu gồm các bước:

  1. Xây dựng mô hình số dựa trên đặc điểm địa chất và cấu trúc công trình thực tế.
  2. Mô phỏng các trường hợp tải trọng bề mặt không cân bằng với khoảng cách đặt tải trọng lần lượt là 1m, 3m, 5m, 7m so với tường vây.
  3. Phân tích chuyển vị ngang của từng cừ Larsen trong các trường hợp tải trọng khác nhau.
  4. So sánh kết quả phân tích giữa các trường hợp và đánh giá ảnh hưởng của vị trí đặt tải trọng đến chuyển vị ngang.

Cỡ mẫu mô hình tương ứng với kích thước công trình thực tế, đảm bảo bao phủ đủ vùng ảnh hưởng của tải trọng và đất nền. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng toàn bộ hệ thống tường vây và tải trọng xung quanh nhằm phản ánh chính xác điều kiện thi công. Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 6 tháng, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tải trọng bề mặt không cân bằng đến chuyển vị ngang: Kết quả mô phỏng cho thấy khi tải trọng đặt gần tường vây (cách 1m), chuyển vị ngang của cừ Larsen tăng lên đến khoảng 15% so với trường hợp không có tải trọng ngoài. Khi khoảng cách tăng lên 7m, chuyển vị giảm dần và gần bằng trường hợp không tải trọng ngoài. Điều này chứng tỏ vị trí đặt tải trọng ngoài công trình có ảnh hưởng đáng kể đến chuyển vị ngang.

  2. So sánh mô hình Hardening Soil và Mohr-Coulomb: Mô hình Hardening Soil cho kết quả chuyển vị ngang thấp hơn khoảng 10-20% so với mô hình Mohr-Coulomb, đồng thời phù hợp hơn với các số liệu quan trắc thực tế. Mô hình Mohr-Coulomb thường đánh giá quá cao chuyển vị do không mô phỏng được ứng xử biến dạng nhỏ và tái bền của đất.

  3. Ảnh hưởng của độ cứng tường và hệ thống thanh chống: Khi độ cứng tường vây và thanh chống tăng lên, chuyển vị ngang giảm khoảng 20%, tuy nhiên hiệu quả giảm chuyển vị không tuyến tính và có giới hạn. Việc tăng độ cứng vượt mức không mang lại lợi ích đáng kể.

  4. Tác động của chiều sâu và chiều rộng hố đào: Chuyển vị ngang tỷ lệ thuận với chiều rộng hố đào, tăng khoảng 0.5% chiều sâu hố đào theo kết quả mô phỏng. Chiều sâu ngàm tường vây ảnh hưởng không đáng kể đến chuyển vị khi tường đã ở trạng thái ổn định.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự tăng chuyển vị ngang khi có tải trọng bề mặt không cân bằng là do áp lực đất và tải trọng tập trung gây ra sự phân bố ứng suất không đồng đều, làm giảm hệ số an toàn ổn định của tường vây. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của tải trọng bề mặt đến chuyển vị tường vây trong hố đào sâu.

So sánh giữa hai mô hình nền đất cho thấy mô hình Hardening Soil có khả năng mô phỏng chính xác hơn do tính đến sự tái bền và biến dạng nhỏ của đất, trong khi mô hình Mohr-Coulomb đơn giản hơn nhưng dễ dẫn đến đánh giá quá cao chuyển vị. Điều này nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn mô hình nền phù hợp trong phân tích kỹ thuật.

Việc tăng độ cứng tường và hệ thống thanh chống giúp giảm chuyển vị ngang nhưng không phải là giải pháp tối ưu duy nhất, cần kết hợp với việc kiểm soát tải trọng bề mặt và thiết kế hợp lý hố đào. Kết quả phân tích có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị ngang theo khoảng cách đặt tải trọng và bảng so sánh kết quả giữa các mô hình nền đất, giúp trực quan hóa ảnh hưởng của các yếu tố nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát vị trí và mức độ tải trọng bề mặt: Chủ đầu tư và nhà thầu cần hạn chế đặt tải trọng lớn gần tường vây, đặc biệt trong phạm vi 3m tính từ tường, nhằm giảm chuyển vị ngang và nguy cơ mất ổn định. Thời gian thực hiện: ngay trong giai đoạn thiết kế và thi công.

  2. Sử dụng mô hình Hardening Soil trong phân tích thiết kế: Các kỹ sư thiết kế nên ưu tiên áp dụng mô hình Hardening Soil để phân tích chuyển vị tường vây, đảm bảo kết quả chính xác và phù hợp với điều kiện đất yếu tại địa phương. Thời gian thực hiện: áp dụng cho các dự án mới và cập nhật thiết kế hiện tại.

  3. Tăng cường độ cứng hệ thống tường vây và thanh chống hợp lý: Thiết kế cần cân nhắc tăng độ cứng tường và hệ thống thanh chống đến mức tối ưu, tránh lãng phí vật liệu và chi phí mà vẫn đảm bảo an toàn. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thiết kế kỹ thuật.

  4. Theo dõi và giám sát chuyển vị trong quá trình thi công: Cần lắp đặt thiết bị đo chuyển vị (Inclinometer) để giám sát thực tế chuyển vị tường vây, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công phối hợp với tư vấn giám sát. Thời gian: suốt quá trình thi công và hoàn thiện.

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 phân tích chuyển vị tường vây chính xác, giúp thiết kế an toàn và hiệu quả hơn trong các công trình hố đào sâu.

  2. Nhà thầu thi công tầng hầm và hố đào sâu: Tham khảo để hiểu rõ ảnh hưởng của tải trọng bề mặt và các yếu tố kỹ thuật đến chuyển vị, từ đó điều chỉnh quy trình thi công phù hợp, giảm thiểu rủi ro.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch giám sát chuyển vị, đánh giá an toàn công trình trong quá trình thi công và vận hành.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Tài liệu tham khảo quan trọng về ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn, mô hình đất nền và phân tích chuyển vị tường vây trong điều kiện đất yếu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải xét đến sự không cân bằng tải trọng bề mặt trong phân tích chuyển vị tường vây?
    Sự không cân bằng tải trọng bề mặt gây ra áp lực không đồng đều lên tường vây, làm tăng chuyển vị ngang và nguy cơ mất ổn định. Ví dụ, tải trọng đặt gần tường vây có thể làm chuyển vị tăng đến 15%, ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn công trình.

  2. Mô hình Hardening Soil có ưu điểm gì so với mô hình Mohr-Coulomb?
    Mô hình Hardening Soil mô phỏng được sự tái bền và biến dạng nhỏ của đất, cho kết quả phân tích chính xác hơn, phù hợp với đất yếu và tải trọng phức tạp. Trong khi đó, mô hình Mohr-Coulomb đơn giản hơn nhưng dễ đánh giá quá cao chuyển vị.

  3. Khoảng cách đặt tải trọng ngoài công trình ảnh hưởng thế nào đến chuyển vị tường vây?
    Kết quả mô phỏng cho thấy khi tải trọng đặt cách tường 1m, chuyển vị tăng khoảng 15%, còn khi cách 7m, chuyển vị gần bằng trường hợp không có tải trọng ngoài. Do đó, khoảng cách đặt tải trọng càng xa tường, ảnh hưởng càng giảm.

  4. Có nên tăng độ cứng tường vây để giảm chuyển vị không?
    Tăng độ cứng tường và hệ thống thanh chống giúp giảm chuyển vị khoảng 20%, nhưng hiệu quả không tuyến tính và có giới hạn. Cần kết hợp với kiểm soát tải trọng bề mặt và thiết kế tổng thể để đạt hiệu quả tối ưu.

  5. Làm thế nào để giám sát chuyển vị tường vây trong thi công?
    Lắp đặt thiết bị đo chuyển vị như Inclinometer giúp theo dõi biến dạng tường vây thực tế, phát hiện sớm các chuyển vị bất thường để điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời, đảm bảo an toàn công trình.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng đáng kể của tải trọng bề mặt không cân bằng đến chuyển vị ngang của tường vây cừ Larsen trong hố đào sâu tại Vĩnh Long.
  • Mô hình Hardening Soil cho kết quả phân tích chính xác và phù hợp hơn so với mô hình Mohr-Coulomb trong điều kiện đất yếu.
  • Vị trí đặt tải trọng ngoài công trình là yếu tố quan trọng, cần được kiểm soát chặt chẽ trong thiết kế và thi công.
  • Tăng độ cứng tường vây và hệ thống thanh chống có thể giảm chuyển vị nhưng cần cân nhắc hiệu quả và chi phí.
  • Đề xuất áp dụng mô hình Hardening Soil, kiểm soát tải trọng bề mặt và giám sát chuyển vị trong thi công để đảm bảo an toàn và hiệu quả công trình.

Next steps: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế và thi công các công trình hố đào sâu tương tự, đồng thời mở rộng nghiên cứu so sánh với số liệu quan trắc thực tế để nâng cao độ tin cậy.

Call to action: Các kỹ sư và nhà quản lý dự án nên tích hợp phương pháp phân tích và giám sát chuyển vị được đề xuất để nâng cao chất lượng và an toàn công trình xây dựng ngầm.