Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển mạnh mẽ của các công trình cao tầng như chung cư, cao ốc văn phòng và trung tâm thương mại, việc thi công các hố đào sâu ngày càng trở nên phổ biến và phức tạp. Theo báo cáo ngành, các hố đào sâu thường có chiều sâu vượt quá 15m, trong khi chiều sâu bình thường chỉ từ 5 đến 7m. Việc dự đoán chính xác chuyển vị của tường vây và biến dạng đất nền xung quanh hố đào là một thách thức lớn trong kỹ thuật xây dựng công trình ngầm. Các sự cố trong quá trình thi công hố đào sâu không chỉ gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến công trình mà còn làm tăng chi phí khắc phục đáng kể.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là mô phỏng và phân tích ứng xử của tường vây và đất nền trong hố đào sâu dựa trên so sánh với thí nghiệm quay ly tâm, nhằm nâng cao độ tin cậy trong dự đoán chuyển vị và biến dạng. Nghiên cứu tập trung vào ba mô hình thí nghiệm quay ly tâm điển hình: SYL05 (hố đào trong lớp đất sét yếu dày, chân tường không cố định), SYL06 (hố đào trong lớp đất sét yếu dày, chân tường cố định bằng băng vữa), và SYL07 (hố đào trong lớp đất sét yếu nông, chân tường trên lớp đất cát chịu lực). Phạm vi nghiên cứu thực hiện tại Đại học Bách Khoa, ĐHQG TP. HCM, trong khoảng thời gian từ tháng 8/2015 đến tháng 6/2016.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở lý luận và dữ liệu thực nghiệm chính xác hơn cho việc thiết kế tường vây và hệ thống chống đỡ trong các công trình hố đào sâu, góp phần giảm thiểu rủi ro và chi phí thi công, đồng thời nâng cao hiệu quả và 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 sau:

  • Phương pháp thí nghiệm quay ly tâm: Sử dụng máy quay ly tâm để mô phỏng ứng suất và biến dạng đất nền trong mô hình thu nhỏ, tái hiện chính xác điều kiện thực tế tại hiện trường. Nguyên lý tỷ lệ ứng suất và biến dạng được áp dụng theo quy luật tỷ lệ gia tốc nhân tạo (đến 100g) nhằm đảm bảo tính tương đồng ứng suất giữa mô hình và nguyên dạng.

  • Mô hình Hardening Soil (HS): Mô hình đất phi tuyến, đàn hồi dẻo, mô phỏng biến dạng không phục hồi và tăng bền của đất dựa trên hai mặt dẻo: mặt dẻo trượt và mặt dẻo chóp mũ. Mô hình này được sử dụng trong phần mềm Plaxis để phân tích ứng xử đất nền dưới tác động của hố đào sâu.

  • Các phương pháp dự đoán biến dạng đất nền: Bao gồm phương pháp của Peck, Bowles, Clough và O’Rourke, Ou và Hsieh, tập trung vào dự đoán chuyển vị ngang của tường vây và độ lún đất nền dựa trên các yếu tố như chiều sâu, chiều rộng hố đào, độ cứng tường và hệ thống chống đỡ.

Các khái niệm chính bao gồm: chuyển vị tường vây, biến dạng đất nền, áp lực đất biểu kiến, mô hình ứng suất hữu hiệu, phân tích thoát nước và không thoát nước, hệ số an toàn chống bùng nền, và các thông số vật liệu đất như mô đun đàn hồi, sức chống cắt không thoát nước, góc ma sát trong.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ ba thí nghiệm quay ly tâm SYL05, SYL06 và SYL07 do tác giả Sidney Sze Yue Lam thực hiện tại Đại học Cambridge, bao gồm các thông số địa chất, chuyển vị tường vây, biến dạng đất nền và áp lực nước lỗ rỗng. Dữ liệu này được sử dụng làm cơ sở để mô phỏng lại bằng phương pháp phần tử hữu hạn trong phần mềm Plaxis phiên bản 8.5.

Phương pháp phân tích bao gồm:

  • Mô phỏng quá trình đào đất trong lúc quay ly tâm với cơ chế truyền động tự động, cho phép mô phỏng chính xác trình tự thi công và tương tác giữa tường vây, đất nền và hệ thống chống đỡ.

  • Sử dụng mô hình Hardening Soil để mô phỏng tính phi tuyến và tăng bền của đất nền, kết hợp phân tích ứng suất hữu hiệu và áp lực nước lỗ rỗng.

  • So sánh kết quả mô phỏng với dữ liệu thực nghiệm về chuyển vị tường vây và biến dạng đất nền qua từng bước đào.

Cỡ mẫu nghiên cứu gồm ba mô hình thí nghiệm quay ly tâm điển hình, được chọn dựa trên đặc điểm địa chất và điều kiện chân tường khác nhau nhằm đánh giá ảnh hưởng của các yếu tố này đến ứng xử hố đào sâu. Phương pháp chọn mẫu dựa trên tính đại diện và khả năng so sánh với mô phỏng số.

Timeline nghiên cứu kéo dài gần một năm, từ tháng 8/2015 đến tháng 6/2016, bao gồm thu thập dữ liệu, thiết lập mô hình mô phỏng, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Tương đồng chuyển vị và biến dạng ở hai bước đào đầu tiên: Kết quả mô phỏng và thí nghiệm quay ly tâm cho thấy chuyển vị tường vây và biến dạng đất nền tương đồng ở hai bước đào đầu tiên trong cả ba mô hình SYL05, SYL06 và SYL07. Sự sai khác chỉ bắt đầu xuất hiện từ bước đào thứ ba, cho thấy mô hình phần tử hữu hạn có khả năng tái hiện chính xác giai đoạn đầu của quá trình đào.

  2. Ảnh hưởng của cố định chân tường: Ở thí nghiệm SYL06 và SYL07, do chân tường được cố định hoặc đặt trên lớp đất cát chịu lực, chuyển vị tường vây và biến dạng đất nền sau bước đào cuối cùng gần như tương đương nhau, với sai số nhỏ hơn 5%. Trong khi đó, thí nghiệm SYL05 với chân tường tự do cho thấy chuyển vị và biến dạng lớn hơn khoảng 20%, phản ánh rõ ảnh hưởng của điều kiện chân tường đến ổn định hố đào.

  3. Biến dạng lớn nhất tập trung gần mặt hố đào: Dữ liệu quan trắc cho thấy chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây thường xảy ra gần bề mặt hố đào, đặc biệt khi hệ thống chống đỡ chưa được lắp đặt hoặc có độ cứng thấp. Điều này phù hợp với lý thuyết và các nghiên cứu trước đây về cơ chế biến dạng tường vây.

  4. Ảnh hưởng của chiều sâu và chiều rộng hố đào: Kết quả mô phỏng xác nhận mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa chiều sâu hố đào và chuyển vị tường vây, với chuyển vị tăng từ 0,2% đến 0,5% chiều sâu hố đào tùy thuộc vào loại đất (cát hoặc đất sét mềm). Chiều rộng hố đào cũng ảnh hưởng đến mức độ mất cân bằng lực và chuyển vị ngang của tường.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ đặc tính vật liệu đất nền và điều kiện biên của tường vây. Việc cố định chân tường bằng băng vữa hoặc đặt trên lớp đất cát chịu lực làm tăng khả năng chịu lực và giảm chuyển vị, đồng thời hạn chế biến dạng đất nền xung quanh. Sự khác biệt giữa mô hình SYL05 và các mô hình còn lại minh chứng cho tầm quan trọng của thiết kế chân tường trong thi công hố đào sâu.

So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả mô phỏng bằng phần mềm Plaxis phù hợp với các phương pháp dự đoán truyền thống như Peck, Bowles và Clough & O’Rourke, đồng thời cung cấp độ chính xác cao hơn nhờ mô hình Hardening Soil và phân tích ứng suất hữu hiệu. Việc mô phỏng quá trình đào trong lúc quay ly tâm giúp tái hiện chính xác cơ chế biến dạng và áp lực đất biểu kiến, điều mà các phương pháp mô hình hóa khác khó đạt được.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị tường vây theo từng bước đào và bảng so sánh biến dạng đất nền giữa mô phỏng và thí nghiệm, giúp minh họa rõ ràng sự tương đồng và khác biệt trong quá trình thi công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình Hardening Soil trong thiết kế hố đào sâu: Khuyến nghị các kỹ sư sử dụng mô hình Hardening Soil kết hợp phần mềm Plaxis để mô phỏng ứng xử đất nền và tường vây, nhằm nâng cao độ chính xác trong dự đoán chuyển vị và biến dạng. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án thiết kế hiện tại. Chủ thể thực hiện: các công ty tư vấn địa kỹ thuật và thiết kế công trình ngầm.

  2. Tăng cường cố định chân tường vây: Đề xuất sử dụng băng vữa hoặc các biện pháp gia cố chân tường nhằm giảm chuyển vị và biến dạng đất nền, đặc biệt trong các hố đào sâu có lớp đất yếu. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn thi công. Chủ thể thực hiện: nhà thầu xây dựng và giám sát thi công.

  3. Thiết kế hệ thống chống đỡ có độ cứng phù hợp: Đề nghị lựa chọn hệ thống thanh chống với độ cứng đủ lớn và bố trí hợp lý để hạn chế chuyển vị ngang của tường vây, đặc biệt trong các bước đào đầu tiên. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn thiết kế và thi công. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế kết cấu và nhà thầu thi công.

  4. Sử dụng thí nghiệm quay ly tâm để kiểm chứng thiết kế: Khuyến khích áp dụng thí nghiệm quay ly tâm mô hình thu nhỏ để kiểm tra và hiệu chỉnh các mô hình số, đặc biệt trong các dự án có điều kiện địa chất phức tạp. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn nghiên cứu tiền khả thi và thiết kế chi tiết. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu, trường đại học và phòng thí nghiệm chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư địa kỹ thuật và thiết kế công trình ngầm: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và dữ liệu thực nghiệm giúp cải thiện phương pháp dự đoán chuyển vị và biến dạng đất nền, hỗ trợ thiết kế tường vây và hệ thống chống đỡ hiệu quả.

  2. Nhà thầu thi công hố đào sâu: Thông tin về ảnh hưởng của chân tường và hệ thống chống đỡ giúp tối ưu hóa quy trình thi công, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh do biến dạng đất nền.

  3. Các viện nghiên cứu và trường đại học: Nghiên cứu mô phỏng kết hợp thí nghiệm quay ly tâm là tài liệu tham khảo quý giá cho các đề tài nghiên cứu sâu về cơ học đất và kỹ thuật xây dựng công trình ngầm.

  4. Cơ quan quản lý và giám sát xây dựng: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá và kiểm soát chất lượng thi công hố đào sâu, đảm bảo an toàn công trình và môi trường xung quanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Thí nghiệm quay ly tâm có ưu điểm gì so với phương pháp khảo sát hiện trường?
    Thí nghiệm quay ly tâm cho phép mô phỏng chính xác ứng suất và biến dạng đất nền trong mô hình thu nhỏ, có thể lặp lại nhiều lần với điều kiện kiểm soát tốt, trong khi khảo sát hiện trường không thể lặp lại và điều kiện đất nền không đồng nhất.

  2. Mô hình Hardening Soil khác gì so với mô hình Mohr-Coulomb truyền thống?
    Mô hình Hardening Soil mô phỏng được tính phi tuyến, tăng bền và biến dạng không phục hồi của đất, trong khi Mohr-Coulomb chỉ mô hình hóa đất như vật liệu đàn hồi dẻo lý tưởng, ít chính xác trong các điều kiện phức tạp.

  3. Ảnh hưởng của chân tường cố định đến chuyển vị tường vây như thế nào?
    Chân tường cố định giúp giảm chuyển vị ngang và biến dạng đất nền, tăng độ ổn định của hố đào, trong khi chân tường tự do làm tăng chuyển vị và nguy cơ phá hoại.

  4. Tại sao cần mô phỏng quá trình đào trong lúc quay ly tâm?
    Mô phỏng quá trình đào trong lúc quay ly tâm giúp tái hiện chính xác trình tự thi công và tương tác giữa đất và tường vây, từ đó thu được kết quả ứng xử thực tế hơn so với đào sẵn trước khi quay ly tâm.

  5. Làm thế nào để lựa chọn thông số vật liệu đầu vào cho mô hình phần tử hữu hạn?
    Thông số vật liệu được xác định dựa trên thí nghiệm cơ lý đất, kết hợp hiệu chỉnh qua so sánh với dữ liệu thí nghiệm quay ly tâm để đảm bảo mô hình mô phỏng phản ánh đúng đặc tính đất nền thực tế.

Kết luận

  • Thí nghiệm quay ly tâm là phương pháp hiệu quả để mô phỏng và nghiên cứu ứng xử của tường vây và đất nền trong hố đào sâu, cho kết quả đáng tin cậy và có thể lặp lại.
  • Mô hình Hardening Soil kết hợp phần mềm Plaxis cho phép mô phỏng chính xác biến dạng và chuyển vị đất nền, phù hợp với các điều kiện địa chất phức tạp.
  • Việc cố định chân tường và thiết kế hệ thống chống đỡ có độ cứng phù hợp là yếu tố then chốt giảm thiểu chuyển vị và biến dạng trong thi công hố đào sâu.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công các công trình ngầm, góp phần nâng cao an toàn và hiệu quả kinh tế.
  • Đề xuất tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình và áp dụng thí nghiệm quay ly tâm trong các điều kiện địa chất đa dạng, đồng thời phát triển công nghệ mô phỏng số để hỗ trợ thiết kế công trình ngầm hiện đại.

Hãy áp dụng những kiến thức và giải pháp từ nghiên cứu này để nâng cao chất lượng và độ an toàn cho các dự án xây dựng hố đào sâu của bạn.