Tổng quan nghiên cứu
Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng tại Hải Phòng, việc thi công các công trình cao tầng có tầng hầm ngày càng phổ biến. Theo thống kê, nhiều công trình cao từ 10 đến 30 tầng với 1-2 tầng hầm đã được xây dựng nhằm giải quyết nhu cầu đỗ xe và hệ thống kỹ thuật. Tuy nhiên, việc thi công hố đào sâu trong khu vực xây dựng chật hẹp đã gây ra nhiều ảnh hưởng tiêu cực đến các công trình lân cận, đặc biệt là hiện tượng độ lún không đều, gây nguy cơ nghiêng, nứt và hư hỏng kết cấu. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của các biện pháp thi công hố đào sâu đến độ lún công trình lân cận tại Hải Phòng, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật nhằm giảm thiểu rủi ro và đảm bảo an toàn cho các công trình xung quanh. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công trình nhà thấp tầng với kết cấu tường gạch chịu lực trên nền móng băng, trong điều kiện địa chất đặc trưng của khu vực Hải Phòng. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao hiệu quả quản lý thi công, bảo vệ kết cấu công trình và phát triển bền vững đô thị, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà thiết kế và quản lý xây dựng trong việc lựa chọn biện pháp thi công phù hợp.
Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu
Khung lý thuyết áp dụng
Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình cơ bản trong kỹ thuật xây dựng và địa kỹ thuật, bao gồm:
- Mô hình dầm trên nền đàn hồi (Winkler): Mô phỏng công trình thấp tầng như một dầm bán vô hạn đặt trên nền đất đàn hồi, giúp tính toán độ lún và chuyển vị do ảnh hưởng của hố đào sâu.
- Mô hình phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM): Sử dụng phần mềm chuyên dụng để mô phỏng biến dạng đất nền và công trình trong quá trình thi công, áp dụng các mô hình đất như Mohr-Coulomb, Hardening-Soil và Soft-Soil.
- Khái niệm về các loại kết cấu tường chắn hố đào: Bao gồm tường cừ thép, tường bê tông cốt thép thi công theo phương pháp Top-Down, tường trong đất, và các hệ thống gia cố như neo trong đất, thanh chống thép hình.
- Các yếu tố ảnh hưởng đến độ lún công trình lân cận: Khoảng cách từ công trình đến hố đào, độ sâu hố đào, độ sâu chôn móng công trình, đặc tính địa chất khu vực, và biện pháp thi công.
Phương pháp nghiên cứu
Nghiên cứu sử dụng kết hợp các phương pháp sau:
- Thu thập và phân tích số liệu thực tế: Số liệu quan trắc độ lún công trình tại các công trình xây dựng ở Hải Phòng và các khu vực lân cận.
- Phân tích lý thuyết: Áp dụng mô hình dầm trên nền đàn hồi và mô hình phần tử hữu hạn để tính toán độ lún và chuyển vị công trình lân cận.
- So sánh kết quả tính toán với số liệu thực tế: Đánh giá độ chính xác và hiệu quả của các phương pháp tính toán.
- Phỏng vấn và lấy ý kiến chuyên gia: Thu thập nhận định từ các kỹ sư, nhà quản lý và chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng và địa kỹ thuật.
- Thời gian nghiên cứu: Tập trung vào các công trình thi công trong giai đoạn từ năm 2010 đến 2017 tại khu vực Hải Phòng.
Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các công trình nhà thấp tầng có tầng hầm thi công hố đào sâu, với các số liệu đo đạc độ lún được thu thập từ ít nhất 10 công trình tiêu biểu. Phương pháp chọn mẫu là chọn mẫu thuận tiện dựa trên các công trình có dữ liệu quan trắc đầy đủ và đại diện cho các điều kiện địa chất khác nhau. Phân tích dữ liệu sử dụng phần mềm Plaxis cho mô hình phần tử hữu hạn và các công thức tính toán truyền thống cho mô hình dầm trên nền đàn hồi.
Kết quả nghiên cứu và thảo luận
Những phát hiện chính
Ảnh hưởng của biện pháp thi công đến độ lún công trình lân cận:
- Khi gia cường hố đào bằng neo trong đất, bán kính vùng ảnh hưởng lên công trình lân cận có thể lên đến 5 lần chiều sâu hố đào (5Hk).
- Gia cường bằng thanh chống thép hình tạo vùng ảnh hưởng khoảng 3Hk, trong khi phương pháp Top-Down với sàn bê tông cốt thép giảm vùng ảnh hưởng còn khoảng 2Hk.
- Độ lún công trình lân cận khi sử dụng neo có thể lớn hơn 30%-40% so với phương pháp Top-Down.
Ảnh hưởng của điều kiện địa chất:
- Đất loại III (đất cát xốp, cát bụi, đất sét dẻo) làm tăng độ lún công trình lên đến 15-25 mm, cao hơn gấp 3-5 lần so với đất loại I (đất cát chặt).
- Đất loại II (đất sét nửa cứng) gây độ lún trung bình khoảng 7-15 mm.
- Độ lún tăng theo tỷ lệ nghịch với độ cứng và sức chịu tải của đất nền.
Ảnh hưởng của khoảng cách và độ sâu móng:
- Độ lún tăng khi khoảng cách từ công trình đến hố đào giảm, đặc biệt khi tỷ số m = (Hk - h)/L tăng.
- Khi m > 1, độ lún công trình lân cận có thể tăng lên đến 10 mm hoặc hơn, gây nguy cơ nghiêng và nứt kết cấu.
So sánh kết quả tính toán và thực tế:
- Kết quả tính toán bằng mô hình phần tử hữu hạn và mô hình dầm trên nền đàn hồi tương đối phù hợp với số liệu quan trắc thực tế, sai số trong khoảng 10-15%.
- Các phương pháp tính toán truyền thống có thể áp dụng hiệu quả cho các công trình thấp tầng với kết cấu tường gạch chịu lực.
Thảo luận kết quả
Nguyên nhân chính của độ lún công trình lân cận là do sự thay đổi trạng thái ứng suất trong đất nền khi thi công hố đào sâu, đặc biệt là khi mực nước ngầm bị hạ thấp và áp lực nước lỗ rỗng thay đổi. Việc sử dụng các biện pháp gia cố như neo trong đất tuy giúp giữ ổn định thành hố đào nhưng lại làm tăng vùng ảnh hưởng và độ lún công trình lân cận. Phương pháp Top-Down với sàn bê tông cốt thép cho thấy hiệu quả trong việc giảm chuyển vị ngang và độ lún, nhờ vào việc tạo ra kết cấu vững chắc ngay từ giai đoạn thi công phần ngầm. Kết quả nghiên cứu phù hợp với các báo cáo ngành và các nghiên cứu trước đây, đồng thời cung cấp số liệu cụ thể cho khu vực Hải Phòng với điều kiện địa chất đặc thù. Việc trình bày dữ liệu qua biểu đồ so sánh độ lún theo các phương pháp gia cố và loại đất giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và hỗ trợ cho việc lựa chọn biện pháp thi công phù hợp.
Đề xuất và khuyến nghị
Áp dụng phương pháp thi công Top-Down cho các công trình có tầng hầm sâu:
- Giảm thiểu độ lún và chuyển vị công trình lân cận.
- Thời gian thực hiện: áp dụng ngay trong các dự án mới.
- Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế.
Tăng cường khảo sát địa chất chi tiết trước khi thi công:
- Xác định chính xác đặc tính đất nền và mực nước ngầm để lựa chọn biện pháp gia cố phù hợp.
- Thời gian thực hiện: trước giai đoạn thiết kế và thi công.
- Chủ thể thực hiện: đơn vị khảo sát địa chất và tư vấn thiết kế.
Sử dụng hệ thống neo trong đất một cách hợp lý, hạn chế vùng ảnh hưởng:
- Thiết kế số lượng và vị trí neo phù hợp để giảm thiểu ảnh hưởng đến công trình lân cận.
- Thời gian thực hiện: trong quá trình thiết kế kết cấu chống đỡ.
- Chủ thể thực hiện: kỹ sư kết cấu và nhà thầu thi công.
Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị và độ lún công trình lân cận:
- Giám sát liên tục trong suốt quá trình thi công để phát hiện sớm các biến dạng bất thường.
- Thời gian thực hiện: từ khi bắt đầu thi công đến khi hoàn thành.
- Chủ thể thực hiện: chủ đầu tư, tư vấn giám sát và đơn vị quan trắc.
Đào tạo nâng cao năng lực cho cán bộ quản lý và kỹ sư thi công:
- Nâng cao nhận thức về các yếu tố ảnh hưởng và biện pháp phòng ngừa sự cố.
- Thời gian thực hiện: liên tục, định kỳ hàng năm.
- Chủ thể thực hiện: các cơ quan đào tạo, trường đại học và tổ chức chuyên ngành.
Đối tượng nên tham khảo luận văn
Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật:
- Hỗ trợ trong việc lựa chọn phương pháp thi công và thiết kế kết cấu chống đỡ phù hợp với điều kiện địa chất và yêu cầu an toàn.
Nhà thầu thi công xây dựng:
- Cung cấp kiến thức về các biện pháp thi công hố đào sâu, cách kiểm soát ảnh hưởng đến công trình lân cận và xử lý các sự cố phát sinh.
Chủ đầu tư và quản lý dự án:
- Giúp hiểu rõ các rủi ro liên quan đến thi công tầng hầm, từ đó đưa ra quyết định đầu tư và giám sát thi công hiệu quả.
Cơ quan quản lý xây dựng và quy hoạch đô thị:
- Là cơ sở khoa học để xây dựng các quy định, tiêu chuẩn kỹ thuật và hướng dẫn quản lý chất lượng thi công hố đào sâu nhằm bảo vệ công trình và môi trường xung quanh.
Câu hỏi thường gặp
Tại sao thi công hố đào sâu lại ảnh hưởng đến công trình lân cận?
Thi công hố đào sâu làm thay đổi trạng thái ứng suất và áp lực nước trong đất nền, gây biến dạng và lún không đều cho các công trình xung quanh, đặc biệt khi mực nước ngầm bị hạ thấp hoặc tường chắn không đủ cứng.Phương pháp thi công nào giảm thiểu ảnh hưởng đến công trình lân cận nhất?
Phương pháp Top-Down với sàn bê tông cốt thép được đánh giá là hiệu quả nhất trong việc giảm chuyển vị và độ lún công trình lân cận nhờ tạo kết cấu vững chắc ngay từ giai đoạn thi công phần ngầm.Làm thế nào để xác định vùng ảnh hưởng của hố đào?
Vùng ảnh hưởng phụ thuộc vào chiều sâu hố đào, loại kết cấu tường chắn và biện pháp gia cố. Ví dụ, khi sử dụng neo trong đất, vùng ảnh hưởng có thể lên đến 5 lần chiều sâu hố đào (5Hk).Có thể sử dụng mô hình tính toán nào để dự báo độ lún công trình?
Mô hình dầm trên nền đàn hồi (Winkler) và mô hình phần tử hữu hạn (FEM) là hai phương pháp phổ biến, cho kết quả phù hợp với số liệu thực tế, đặc biệt với công trình thấp tầng và nền đất yếu.Những biện pháp nào nên được áp dụng để giám sát thi công hố đào sâu?
Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị, độ lún và mực nước ngầm liên tục trong suốt quá trình thi công để phát hiện sớm các biến dạng bất thường và kịp thời xử lý.
Kết luận
- Luận văn đã phân tích chi tiết ảnh hưởng của các biện pháp thi công hố đào sâu đến độ lún công trình lân cận tại Hải Phòng, dựa trên số liệu thực tế và mô hình tính toán.
- Phương pháp Top-Down với sàn bê tông cốt thép được khuyến nghị là giải pháp hiệu quả nhất để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực.
- Đặc tính địa chất khu vực và khoảng cách từ công trình đến hố đào là các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến độ lún và chuyển vị.
- Việc áp dụng hệ thống quan trắc và nâng cao năng lực quản lý thi công là cần thiết để đảm bảo an toàn công trình.
- Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho các nhà thiết kế, nhà thầu và cơ quan quản lý trong việc lựa chọn và kiểm soát biện pháp thi công hố đào sâu, góp phần phát triển bền vững đô thị Hải Phòng.
Hành động tiếp theo: Áp dụng các giải pháp đề xuất trong các dự án xây dựng mới và triển khai hệ thống quan trắc kỹ thuật để nâng cao hiệu quả quản lý thi công hố đào sâu.