Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh các công trình xây dựng ngầm ngày càng phát triển tại các đô thị lớn như thành phố Nha Trang, tỉnh Khánh Hòa, việc nghiên cứu ảnh hưởng của động đất lên kết cấu vách vây trong thi công đào sâu tầng hầm là rất cần thiết. Theo báo cáo ngành, các trận động đất thực tế như Kobe (Nhật Bản), Kocaeli (Thổ Nhĩ Kỳ) và Christchurch (New Zealand) đã gây ra những tác động đáng kể đến các công trình xây dựng, đặc biệt là các công trình có tầng hầm sâu và vách vây bê tông cốt thép. Công trình GOLD COAST NHA TRANG với 3 tầng hầm, chiều sâu đến -9.5m, vách vây dày 800mm và dài 20m được lựa chọn làm đối tượng nghiên cứu nhằm đánh giá sự dịch chuyển và lực nội tại của vách vây khi chịu tác động của động đất.

Mục tiêu nghiên cứu là mô phỏng quá trình thi công tầng hầm bằng phương pháp Semi Top-Down, phân tích ảnh hưởng của động đất lên vách vây trong hai trường hợp có và không có ảnh hưởng của móng cọc liền kề các nhà cao tầng. Nghiên cứu sử dụng phần mềm Plaxis 3D với mô hình Hardening Soil with small-strain stiffness, áp dụng các dữ liệu địa chất thực tế và các biên độ gia tốc động đất được điều chỉnh theo tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 9386:2012. Kết quả nghiên cứu sẽ cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và thi công các công trình đào sâu tầng hầm trong vùng có nguy cơ động đất, góp phần nâng cao độ an toàn và hiệu quả thi công.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết tính toán ứng suất và chuyển vị do động đất: Áp dụng tiêu chuẩn TCVN 9386:2012 và các công thức tính toán áp lực động đất Rankine, Coulomb, Mononobe-Okabe để xác định tải trọng động đất tác động lên vách vây và đất nền.

  • Mô hình Hardening Soil with small-strain stiffness (HSSMALL): Đây là mô hình vật liệu đất tiên tiến, mô phỏng chính xác tính phi tuyến và biến dạng nhỏ của đất dưới tác động tải trọng động đất, bao gồm các tham số như mô đun cắt động (G), hệ số Poisson, góc ma sát trong, và các đặc tính tái bền của đất.

  • Phân tích tương tác đất - kết cấu (Soil-Structure Interaction - SSI): Mô hình hóa sự tương tác giữa vách vây bê tông cốt thép và đất nền, đồng thời xem xét ảnh hưởng của móng cọc liền kề nhà cao tầng đến chuyển vị và lực nội tại của vách vây.

Các khái niệm chính bao gồm: chuyển vị ngang của vách vây, lực nội tại (momen, lực cắt), mô đun đàn hồi và mô đun cắt động của đất, áp lực đất động, và hiệu ứng SSI.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập số liệu địa chất thực tế tại công trình GOLD COAST NHA TRANG, bao gồm đặc tính đất, kết cấu vách vây, và các thông số thi công. Dữ liệu động đất được lấy từ ba trận động đất thực tế (Kobe, Kocaeli, Christchurch) và điều chỉnh theo tiêu chuẩn TCVN 9386:2012.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Plaxis 3D để mô phỏng quá trình thi công tầng hầm theo phương pháp Semi Top-Down, đồng thời phân tích ảnh hưởng của động đất lên vách vây trong hai trường hợp: có và không có ảnh hưởng của móng cọc liền kề. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) được áp dụng với mô hình Hardening Soil with small-strain stiffness để mô phỏng đất nền và kết cấu.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình số được xây dựng dựa trên kích thước thực tế của công trình với chiều dài vách vây 20m, dày 800mm, chiều sâu tầng hầm đến -9.5m. Các trường hợp mô phỏng được thực hiện với ba bộ gia tốc động đất khác nhau nhằm đánh giá sự biến đổi kết quả.

  • Timeline nghiên cứu: Quá trình thu thập dữ liệu, mô phỏng và phân tích kéo dài từ tháng 02/2021 đến tháng 12/2021, đảm bảo tính cập nhật và chính xác của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của động đất lên chuyển vị vách vây: Kết quả mô phỏng cho thấy chuyển vị ngang lớn nhất của vách vây tăng trung bình khoảng 15-25% khi chịu tác động của động đất so với trạng thái không có động đất. Trong đó, trận động đất Kobe gây chuyển vị lớn nhất với giá trị dịch chuyển tăng khoảng 25%, trong khi trận Christchurch có mức tăng khoảng 15%.

  2. Lực nội tại trong vách vây: Lực momen và lực cắt nội tại trong vách vây tăng đáng kể khi có động đất, với lực momen tăng trung bình 20-30% và lực cắt tăng 10-20% so với trường hợp không có động đất. Mô hình có tính đến ảnh hưởng của móng cọc liền kề cho thấy lực nội tại giảm khoảng 10% so với mô hình không tính đến, chứng tỏ vai trò giảm tải của móng cọc.

  3. Ảnh hưởng của móng cọc liền kề: So sánh hai trường hợp mô phỏng cho thấy, khi tính đến móng cọc liền kề, chuyển vị vách vây giảm khoảng 12%, lực nội tại cũng giảm tương ứng. Điều này cho thấy móng cọc liền kề có tác dụng gia cố đất nền, hạn chế biến dạng và ứng suất trên vách vây.

  4. Độ chính xác mô hình: Kết quả mô phỏng gần sát với số liệu quan trắc thực tế tại công trình, với sai số chuyển vị dưới 10%, khẳng định tính khả thi và độ tin cậy của mô hình Hardening Soil with small-strain stiffness trong phân tích ảnh hưởng động đất.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự gia tăng chuyển vị và lực nội tại là do tác động của dao động nền đất trong quá trình động đất, làm tăng ứng suất và biến dạng trong đất nền và kết cấu vách vây. Việc mô phỏng với ba trận động đất thực tế cho phép đánh giá đa dạng các mức độ tác động, từ đó có thể áp dụng linh hoạt cho các vùng có đặc điểm địa chấn khác nhau.

So với các nghiên cứu trước đây chỉ sử dụng mô hình 2D hoặc không tính đến ảnh hưởng của móng cọc liền kề, nghiên cứu này đã mở rộng phạm vi phân tích, đồng thời sử dụng mô hình vật liệu đất tiên tiến hơn, giúp kết quả mô phỏng sát thực tế hơn. Việc so sánh với số liệu quan trắc thực tế cũng giúp kiểm chứng độ chính xác của mô hình, từ đó nâng cao độ tin cậy trong thiết kế và thi công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ chuyển vị theo thời gian, bảng tổng hợp lực nội tại trong vách vây ở các trường hợp khác nhau, giúp trực quan hóa sự khác biệt và tác động của các yếu tố nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình Hardening Soil with small-strain stiffness trong thiết kế vách vây: Khuyến nghị các đơn vị thiết kế sử dụng mô hình này để mô phỏng chính xác hơn ảnh hưởng của động đất, nâng cao độ an toàn cho công trình đào sâu tầng hầm.

  2. Tính đến ảnh hưởng của móng cọc liền kề trong phân tích SSI: Đề xuất các nhà thầu và kỹ sư thi công cần khảo sát và mô phỏng ảnh hưởng của các công trình lân cận, đặc biệt là móng cọc nhà cao tầng, nhằm giảm thiểu rủi ro biến dạng và ứng suất vượt mức.

  3. Theo dõi và quan trắc chuyển vị vách vây trong quá trình thi công: Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị và lực nội tại để kiểm soát kịp thời các biến dạng, đảm bảo an toàn thi công và vận hành công trình.

  4. Xây dựng quy trình thi công Semi Top-Down phù hợp với điều kiện địa chất và địa chấn: Đề xuất các biện pháp thi công linh hoạt, giảm thiểu tác động động đất như gia cố đất nền, kiểm soát tiến độ thi công, nhằm hạn chế biến dạng vách vây.

Các giải pháp trên nên được thực hiện trong vòng 1-2 năm tiếp theo, phối hợp giữa các chủ đầu tư, đơn vị thiết kế và thi công để đảm bảo hiệu quả và an toàn công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và mô hình phân tích tiên tiến giúp thiết kế vách vây và móng cọc phù hợp với điều kiện động đất thực tế.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm: Tham khảo để áp dụng các biện pháp thi công an toàn, kiểm soát biến dạng vách vây trong quá trình đào sâu tầng hầm.

  3. Cơ quan quản lý xây dựng và an toàn công trình: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng tiêu chuẩn, quy định giám sát thi công và vận hành các công trình trong vùng có nguy cơ động đất.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng và địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo hữu ích cho việc nghiên cứu sâu về tương tác đất-kết cấu và ảnh hưởng động đất trong xây dựng công trình ngầm.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần mô phỏng ảnh hưởng động đất lên vách vây tầng hầm?
    Động đất có thể gây ra biến dạng lớn và lực nội tại vượt mức thiết kế, dẫn đến nguy cơ hư hỏng công trình. Mô phỏng giúp dự đoán và thiết kế biện pháp gia cố phù hợp, đảm bảo an toàn.

  2. Mô hình Hardening Soil with small-strain stiffness có ưu điểm gì?
    Mô hình này mô phỏng chính xác tính phi tuyến và biến dạng nhỏ của đất dưới tải trọng động đất, giúp kết quả phân tích sát thực tế hơn so với các mô hình truyền thống.

  3. Ảnh hưởng của móng cọc liền kề đến vách vây như thế nào?
    Móng cọc liền kề có tác dụng gia cố đất nền, giảm chuyển vị và lực nội tại trong vách vây, từ đó nâng cao độ ổn định và an toàn cho công trình đào sâu.

  4. Làm thế nào để kiểm tra độ chính xác của mô hình mô phỏng?
    So sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế tại công trình, sai số dưới 10% được xem là chấp nhận được và mô hình có độ tin cậy cao.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các công trình khác không?
    Có thể, đặc biệt là các công trình đào sâu tầng hầm trong vùng có điều kiện địa chất và địa chấn tương tự, tuy nhiên cần điều chỉnh tham số mô hình phù hợp với từng công trình cụ thể.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã mô phỏng thành công ảnh hưởng của động đất lên chuyển vị và lực nội tại của vách vây tầng hầm công trình GOLD COAST NHA TRANG bằng mô hình Hardening Soil with small-strain stiffness trong Plaxis 3D.
  • Kết quả cho thấy động đất làm tăng chuyển vị vách vây trung bình 15-25% và lực nội tại tăng 10-30%, trong đó móng cọc liền kề có tác dụng giảm tải đáng kể.
  • Mô hình mô phỏng có độ chính xác cao, sai số dưới 10% so với số liệu quan trắc thực tế, khẳng định tính khả thi của phương pháp.
  • Đề xuất áp dụng mô hình này trong thiết kế và thi công, đồng thời tăng cường quan trắc và kiểm soát thi công để đảm bảo an toàn công trình.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu cho các công trình khác, cập nhật dữ liệu động đất mới và phát triển các giải pháp thi công thích ứng với điều kiện địa chất và địa chấn đa dạng.

Hành động ngay hôm nay để nâng cao an toàn và hiệu quả thi công các công trình đào sâu tầng hầm trong vùng có nguy cơ động đất!