Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, việc thi công các công trình cao tầng với nhiều tầng hầm ngày càng phổ biến. Theo ước tính, mật độ xây dựng tại trung tâm thành phố ngày càng tăng, dẫn đến nhu cầu đào sâu trong đất để xây dựng hố đào phục vụ tầng hầm và các công trình ngầm khác. Tuy nhiên, quá trình đào sâu này có thể ảnh hưởng trực tiếp đến các công trình hiện hữu lân cận, đặc biệt là móng cọc, gây ra các biến dạng và thay đổi nội lực trong cọc, ảnh hưởng đến độ an toàn và khả năng chịu tải của công trình.

Luận văn tập trung nghiên cứu ảnh hưởng của đào sâu trong đất đến ứng xử của cọc lân cận hố đào sâu tại khu vực Phường Phú Hữu, Quận 9, Thành phố Hồ Chí Minh, nơi có đặc điểm địa chất đất yếu ven sông. Mục tiêu chính là phân tích chuyển vị (độ lún và chuyển vị ngang), sự thay đổi nội lực (moment, lực cắt) và sức chịu tải của cọc trước và sau khi thi công hố đào sâu. Nghiên cứu sử dụng mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D.v21 hiệu chỉnh dựa trên kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc, phân tích bốn trường hợp với hai loại cọc (D400 dài 21.5m và D1000 dài 42m) và hố đào kích thước 40x40m với độ sâu 10m và 22m.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công hố đào sâu, giúp hạn chế biến dạng và suy giảm sức chịu tải của móng cọc công trình hiện hữu, từ đó nâng cao độ an toàn và hiệu quả thi công trong điều kiện địa chất phức tạp.

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:

  • Lý thuyết ứng xử móng cọc trong đất yếu: Móng cọc được phân loại theo điều kiện làm việc, bao gồm cọc chống, cọc treo, cọc chịu tải ngang, cọc ma sát âm, cọc chịu nhổ và cọc mố trụ cầu. Cọc khoan nhồi và cọc barrette được nghiên cứu chi tiết do tính phổ biến trong thi công hố đào sâu.

  • Mô hình phân tích sức chịu tải cọc: Sức chịu tải cực hạn của cọc được xác định bằng tổng sức kháng cắt mặt bên (Qs) và sức gánh đỡ mũi cọc (Qp), với các phương pháp đánh giá dựa trên sự thay đổi ứng suất pháp tuyến hữu hiệu mặt bên cọc và lực dọc trong cọc.

  • Mô hình tương tác hố đào sâu với nền đất và công trình lân cận: Các dạng mất ổn định hố đào sâu như phá hoại cắt tổng thể, phá hoại cắt tường consol, đẩy trồi và cát chảy được xem xét. Lý thuyết về áp lực đất ngang tác động lên tường vây và ảnh hưởng đến chuyển vị, moment trong cọc được áp dụng.

  • Phương pháp Poulos và Chen (1997): Phát triển biểu đồ thiết kế dự đoán moment uốn và chuyển vị ngang lớn nhất của cọc đơn do chuyển động đất trong quá trình đào, với các hệ số hiệu chỉnh cho cường độ đất, đường kính cọc, độ sâu đào, độ cứng tường vây và hệ giằng chống.

Các khái niệm chính bao gồm: chuyển vị ngang và đứng của cọc, moment uốn, lực cắt, sức chịu tải mũi và ma sát thân cọc, ma sát âm, ứng suất pháp tuyến hữu hiệu, và các hệ số hiệu chỉnh trong mô hình phân tích.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc tại hiện trường và dữ liệu khảo sát địa chất khu vực Phường Phú Hữu, Quận 9. Các thông số đất được hiệu chỉnh dựa trên thí nghiệm để nhập vào mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D.v21.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Phân tích chuyển vị cọc: Độ lún được mô phỏng bằng phần tử hữu hạn Plaxis 3D; chuyển vị ngang được đánh giá bằng phương pháp tra biểu đồ Poulos và Chen kết hợp với mô hình phần tử hữu hạn.

  • Phân tích nội lực cọc: Moment uốn được tính toán bằng cả hai phương pháp tra biểu đồ và mô hình phần tử hữu hạn; lực cắt được phân tích chủ yếu qua mô hình phần tử hữu hạn.

  • Phân tích sức chịu tải cọc: Sử dụng kết quả thí nghiệm nén tĩnh làm cơ sở hiệu chỉnh mô hình Plaxis 3D để xác định sức chịu tải trước và sau khi thi công hố đào sâu.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm hai loại cọc với chiều dài và đường kính khác nhau, cùng bốn trường hợp hố đào sâu với các độ sâu 10m và 22m. Phương pháp chọn mẫu dựa trên đặc điểm phổ biến của công trình thực tế tại khu vực nghiên cứu. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 2 đến tháng 6 năm 2022, bao gồm khảo sát, thí nghiệm, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chuyển vị của cọc phụ thuộc chặt chẽ vào diễn biến đất nền xung quanh: Độ lún cọc tăng theo chiều sâu đào hố, với cọc D400 dài 21.5m có độ lún lớn hơn khi đào sâu 22m so với 10m. Chuyển vị ngang lớn nhất của cọc tăng từ khoảng 5mm lên gần 12mm khi chiều sâu đào tăng gấp đôi, thể hiện sự ảnh hưởng rõ rệt của quá trình đào sâu đến biến dạng cọc.

  2. Giá trị moment uốn và lực cắt trong cọc phụ thuộc vào chiều sâu đào, đường kính cọc và vị trí cọc so với hố đào: Moment uốn lớn nhất trong cọc D1000 dài 42m tăng khoảng 30% khi chiều sâu đào tăng từ 10m lên 22m. Lực cắt cũng tăng tương ứng, đặc biệt tại các vị trí gần mép hố đào, cho thấy sự tập trung ứng suất cao tại các vùng này.

  3. Sự suy giảm sức kháng hông ở vùng nền phía trên dẫn đến gia tăng tải trọng lên phần mũi cọc: Kết quả mô hình cho thấy sức kháng hông giảm khoảng 15-20% sau khi thi công hố đào sâu, làm tăng tải trọng mũi cọc lên đến 25%, ảnh hưởng đến khả năng chịu tải của móng.

  4. Cơ chế hình thành ma sát âm được xác định rõ ràng: Trong vùng đất xung quanh cọc, hiện tượng ma sát âm xuất hiện khi đất lún nhiều hơn cọc, gây ra lực kéo dọc thân cọc. Tỷ lệ cọc xuất hiện ma sát âm chiếm khoảng 40% trong các trường hợp phân tích, đặc biệt với cọc có đường kính nhỏ và vị trí gần hố đào.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các biến dạng và thay đổi nội lực trong cọc là do sự thay đổi ứng suất pháp tuyến hữu hiệu và chuyển vị đất nền xung quanh trong quá trình đào sâu. So sánh với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với mô hình của Poulos và Chen (1997) nhưng có sự điều chỉnh do đặc điểm địa chất đất yếu ven sông tại Thành phố Hồ Chí Minh.

Việc sử dụng mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D cho phép mô phỏng chi tiết hơn các yếu tố ảnh hưởng như độ cứng tường vây, hệ giằng chống và vị trí cọc, giúp dự đoán chính xác hơn ứng xử thực tế của cọc. Biểu đồ chuyển vị ngang, moment và lực cắt được trình bày rõ ràng trong luận văn, minh họa sự khác biệt giữa các trường hợp đào sâu và loại cọc.

Ý nghĩa của kết quả là cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế và thi công hố đào sâu, giảm thiểu rủi ro biến dạng và suy giảm sức chịu tải của móng cọc hiện hữu, góp phần nâng cao an toàn công trình trong điều kiện địa chất phức tạp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D trong thiết kế hố đào sâu: Khuyến nghị các đơn vị thiết kế sử dụng mô hình này để phân tích chuyển vị và nội lực cọc, nhằm dự báo chính xác ảnh hưởng của đào sâu. Thời gian áp dụng trong giai đoạn thiết kế và chuẩn bị thi công.

  2. Tăng cường giám sát biến dạng và nội lực cọc trong quá trình thi công: Lắp đặt cảm biến đo biến dạng dọc thân cọc và inclinometer để theo dõi chuyển vị thực tế, giúp điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời. Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công và tư vấn giám sát, trong suốt quá trình thi công.

  3. Lựa chọn loại cọc và chiều dài phù hợp với điều kiện địa chất và vị trí hố đào: Ưu tiên sử dụng cọc có đường kính lớn và chiều dài đủ để giảm chuyển vị ngang và tăng sức chịu tải, đặc biệt trong các khu vực có hố đào sâu trên 20m. Thời gian áp dụng trong giai đoạn thiết kế.

  4. Thiết kế hệ giằng chống và tường vây có độ cứng cao: Giảm chuyển vị đất nền và ứng suất tập trung lên cọc bằng cách tăng độ cứng hệ giằng và tường vây, đồng thời giảm khoảng cách thanh chống. Chủ thể thực hiện là đơn vị thiết kế và thi công, áp dụng trong giai đoạn thi công.

  5. Nghiên cứu bổ sung về ảnh hưởng của ma sát âm và thay đổi sức chịu tải mũi cọc: Đề xuất các nghiên cứu tiếp theo nhằm hiểu rõ hơn cơ chế ma sát âm và điều chỉnh thiết kế móng cọc phù hợp. Thời gian nghiên cứu trong vòng 1-2 năm tới, do các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp phân tích chi tiết giúp thiết kế móng cọc và hố đào sâu phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp, nâng cao độ chính xác và an toàn công trình.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm và hố đào sâu: Thông tin về ảnh hưởng đào sâu đến cọc giúp nhà thầu lựa chọn biện pháp thi công, giám sát biến dạng và điều chỉnh quy trình nhằm hạn chế rủi ro trong thi công.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án xây dựng: Luận văn cung cấp các chỉ số và phương pháp theo dõi chuyển vị, nội lực cọc, giúp giám sát hiệu quả và đảm bảo chất lượng công trình trong quá trình thi công.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành địa kỹ thuật xây dựng: Tài liệu tham khảo quý giá về mô hình phân tích ứng xử cọc trong điều kiện đào sâu, kết hợp lý thuyết và thực nghiệm, hỗ trợ nghiên cứu và phát triển khoa học trong lĩnh vực.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần nghiên cứu ảnh hưởng của đào sâu đến cọc lân cận?
    Việc đào sâu có thể gây biến dạng đất nền và thay đổi nội lực trong cọc, ảnh hưởng đến độ an toàn và khả năng chịu tải của công trình hiện hữu. Nghiên cứu giúp dự báo và giảm thiểu rủi ro này.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để phân tích chuyển vị và nội lực cọc?
    Luận văn sử dụng mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D kết hợp phương pháp tra biểu đồ Poulos và Chen để phân tích chuyển vị ngang, moment và lực cắt trong cọc.

  3. Ảnh hưởng của chiều sâu hố đào đến ứng xử cọc như thế nào?
    Chiều sâu hố đào tăng làm chuyển vị ngang, moment uốn và lực cắt trong cọc tăng đáng kể, đồng thời giảm sức kháng hông đất nền, gây tăng tải trọng lên mũi cọc.

  4. Ma sát âm là gì và tại sao quan trọng?
    Ma sát âm xảy ra khi đất lún nhiều hơn cọc, tạo lực kéo dọc thân cọc, ảnh hưởng đến độ lún và sức chịu tải. Hiện tượng này cần được tính toán để đảm bảo an toàn móng.

  5. Làm thế nào để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực của đào sâu đến cọc?
    Có thể tăng cường độ cứng tường vây và hệ giằng, lựa chọn cọc phù hợp, giám sát biến dạng thực tế và điều chỉnh thi công kịp thời để hạn chế biến dạng và thay đổi nội lực trong cọc.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết ảnh hưởng của đào sâu trong đất đến chuyển vị, nội lực và sức chịu tải của cọc lân cận hố đào sâu tại khu vực đất yếu ven sông Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Kết quả cho thấy chuyển vị ngang, moment uốn và lực cắt trong cọc tăng theo chiều sâu đào và phụ thuộc vào đặc tính cọc, vị trí cọc so với hố đào.
  • Sự suy giảm sức kháng hông đất nền làm tăng tải trọng lên mũi cọc, đồng thời cơ chế ma sát âm được xác định rõ ràng trong quá trình đào sâu.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn Plaxis 3D kết hợp với phương pháp tra biểu đồ Poulos và Chen là công cụ hiệu quả để dự báo ứng xử cọc trong điều kiện thi công thực tế.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế, thi công và giám sát nhằm giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực, đồng thời khuyến nghị nghiên cứu tiếp theo về ma sát âm và sức chịu tải mũi cọc.

Các bước tiếp theo bao gồm áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế thực tế, triển khai giám sát thi công và mở rộng nghiên cứu trong các điều kiện địa chất khác. Độc giả và chuyên gia được khuyến khích tham khảo và ứng dụng các kết quả này để nâng cao hiệu quả và an toàn công trình.