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 hố đào sâu ngày càng phổ biến nhằm phục vụ xây dựng các công trình ngầm như tầng hầm. Theo báo cáo ngành xây dựng, các sự cố sập hố đào đã từng xảy ra, điển hình như sự cố tòa nhà Pacific năm 2007 và công trình Sài Gòn Plaza năm 2013, gây thiệt hại nghiêm trọng về tài sản và ảnh hưởng đến các công trình lân cận. Vấn đề ổn định hố đào sâu trở thành một thách thức lớn, trong đó dòng thấm nước được xác định là một trong những nguyên nhân chính gây mất ổn định do làm thay đổi áp lực nước lỗ rỗng và ứng suất hữu hiệu trong đất cát.

Mục tiêu nghiên cứu tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát thân cọc trong đất cát, dựa trên mô hình thí nghiệm hố đào sâu ổn định bằng tường chắn. Nghiên cứu khảo sát sự biến đổi ma sát thành cọc theo vị trí cọc, chiều sâu hố đào, độ ngàm tường chắn và hệ số an toàn chống xói ngầm. Phạm vi nghiên cứu được thực hiện trong phòng thí nghiệm với mô hình bể thí nghiệm kích thước 380 x 760 x 500 mm, sử dụng đất cát vàng thuần túy, mô phỏng điều kiện dòng thấm ổn định và các biến mực nước, mực cát trong và ngoài hố đào.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu thực nghiệm chính xác về ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát thân cọc, từ đó góp phần nâng cao độ an toàn và hiệu quả trong thiết kế, thi công các công trình phần ngầm, đặc biệt là hệ giằng chống Shoring – kingpost. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ xây dựng lược đồ tham khảo về mối quan hệ giữa khoảng cách cọc đến tường chắn, độ giảm ma sát thành cọc và hệ số an toàn chống xói ngầm, giúp tối ưu hóa biện pháp thi công và đảm bảo ổn định hố đào sâu.

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 ma sát thân cọc trong đất cát: Ma sát dọc thân cọc được xác định theo biểu thức $f_s = K \sigma_v' \tan \delta$, trong đó $K$ là hệ số áp lực ngang của đất, $\sigma_v'$ là ứng suất hữu hiệu, và $\delta$ là góc ma sát trong giữa đất và cọc. Ma sát thân cọc tăng tuyến tính đến độ sâu tới hạn $D_c$ (khoảng 10-20 lần đường kính cọc), sau đó giữ ổn định.

  • Hệ số an toàn chống hiện tượng cát sôi (xói ngầm): Các phương pháp tính hệ số an toàn chống xói ngầm được áp dụng gồm Terzaghi (1922), Ou (1998), Harza (1935) kết hợp đo áp lực nước, và Marsland (1953). Các phương pháp này dựa trên phân tích gradient thủy lực, chiều sâu ngàm tường chắn, độ chênh mực nước và đặc tính đất để đánh giá nguy cơ xói ngầm và ổn định hố đào.

  • Ảnh hưởng của dòng thấm đến ứng suất hữu hiệu và áp lực đất: Dòng thấm hướng lên làm tăng áp lực nước lỗ rỗng, giảm ứng suất hữu hiệu và tính liên kết giữa các hạt đất, từ đó làm giảm ma sát thân cọc. Ngược lại, dòng thấm hướng xuống làm tăng ứng suất hữu hiệu. Các mô hình phân tích áp lực đất chủ động và bị động được sử dụng để đánh giá tác động của dòng thấm lên tường chắn và cọc.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thu thập từ mô hình thí nghiệm trong phòng thí nghiệm với bể mica kích thước 380 x 760 x 500 mm, mô phỏng hố đào sâu ổn định bằng tường chắn. Hệ thống thí nghiệm bao gồm:

  • 9 cọc đơn đường kính 12 mm, bố trí theo phương xiên với khoảng cách tối thiểu 80 mm để loại trừ hiệu ứng nhóm cọc, trong đó 4 cọc nằm trong hố đào và 5 cọc ngoài hố đào.

  • Hệ thống bơm tuần hoàn tạo dòng chảy thấm ổn định.

  • 68 ống đo áp lực nước dọc thân cọc để đo áp lực nước lỗ rỗng.

  • Hệ thống cân đo ma sát thân cọc trực tiếp.

Phương pháp phân tích kết hợp giữa phương pháp giải tích dựa trên thành phần ứng suất hữu hiệu và áp lực nước, cùng với kiểm nghiệm thực nghiệm đo ma sát trực tiếp trên mô hình. Cỡ mẫu thí nghiệm gồm 9 cọc, được chọn nhằm đảm bảo tính đại diện và loại trừ ảnh hưởng nhóm cọc. Thời gian nghiên cứu kéo dài trong giai đoạn chuẩn bị, thực hiện thí nghiệm và phân tích dữ liệu, dự kiến hoàn thành trong vòng 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Dòng thấm làm giảm ma sát thân cọc trong hố đào sâu: Ma sát thân cọc giảm mạnh nhất đối với các cọc gần tường chắn, với mức giảm ma sát lên đến 91,23% trong trường hợp hố đào sâu 10 cm, độ ngàm tường chắn 10 cm và chênh lệch mực nước ngầm 25 cm, tương ứng hệ số an toàn chống xói ngầm cực tiểu FS2 = 0,564.

  2. Ảnh hưởng giảm dần theo khoảng cách cọc đến tường chắn: Ma sát thân cọc giảm dần khi vị trí cọc càng xa tường chắn, thể hiện rõ qua hệ số tương quan khoảng cách cọc đến tường chắn.

  3. Chiều sâu hố đào và độ ngàm tường chắn ảnh hưởng lớn đến ma sát thân cọc: Khi tăng độ ngàm tường chắn lên 1,5 lần, độ giảm ma sát tại cọc cách tường 30 mm giảm 25,49%. Ngược lại, tăng chiều sâu hố đào 1,5 lần làm biên độ giảm ma sát tăng 16,96%.

  4. Dòng thấm làm tăng ma sát thân cọc ngoài hố đào: Đối với các cọc nằm ngoài hố đào, dòng thấm có xu hướng làm tăng ma sát thân cọc, đại diện cho các công trình lân cận hiện hữu.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của hiện tượng giảm ma sát thân cọc trong hố đào là do dòng thấm hướng lên làm tăng áp lực nước lỗ rỗng, giảm ứng suất hữu hiệu và liên kết giữa các hạt đất, làm suy giảm lực ma sát giữa đất và cọc. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về ảnh hưởng của dòng thấm đến áp lực đất chủ động và bị động, cũng như các mô hình phân tích áp lực nước lỗ rỗng.

Việc tăng độ ngàm tường chắn giúp giảm lưu lượng dòng thấm sát tường, từ đó giảm tác động tiêu cực lên ma sát thân cọc. Tương tự, chiều sâu hố đào lớn hơn làm tăng áp lực nước và gradient thủy lực, làm gia tăng hiện tượng giảm ma sát. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố ma sát thân cọc theo vị trí cọc và các biến mực nước, chiều sâu hố đào, giúp trực quan hóa xu hướng giảm ma sát.

So sánh với các nghiên cứu về ổn định hố đào và xói ngầm, kết quả nghiên cứu này bổ sung thêm góc nhìn về ảnh hưởng trực tiếp của dòng thấm đến ma sát thân cọc, một yếu tố quan trọng trong thiết kế và thi công hệ giằng chống Shoring – kingpost.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng độ ngàm tường chắn trong thiết kế hố đào sâu: Đề xuất tăng độ ngàm tường chắn ít nhất 1,5 lần so với thiết kế hiện tại nhằm giảm thiểu sự giảm ma sát thân cọc do dòng thấm, nâng cao hệ số an toàn chống xói ngầm. Chủ thể thực hiện là các kỹ sư thiết kế công trình, thời gian áp dụng ngay trong giai đoạn thiết kế.

  2. Kiểm soát và điều chỉnh mực nước trong và ngoài hố đào: Thiết lập hệ thống bơm hút và điều tiết mực nước để giảm chênh lệch mực nước ngầm, hạn chế dòng thấm hướng lên gây giảm ma sát thân cọc. Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công và quản lý dự án, áp dụng trong suốt quá trình thi công.

  3. Sử dụng mô hình thí nghiệm và phân tích áp lực nước để đánh giá ổn định hố đào: Áp dụng phương pháp giải tích kết hợp đo áp lực nước lỗ rỗng để dự báo và kiểm soát ma sát thân cọc trong điều kiện dòng thấm thực tế. Chủ thể thực hiện là các nhà nghiên cứu và tư vấn kỹ thuật, áp dụng trong giai đoạn khảo sát và thiết kế.

  4. Xây dựng lược đồ tham khảo về mối quan hệ giữa khoảng cách cọc, ma sát thân cọc và hệ số an toàn chống xói ngầm: Lược đồ này giúp các kỹ sư dễ dàng đánh giá và điều chỉnh thiết kế cọc và tường chắn phù hợp với điều kiện dòng thấm và mực nước. Chủ thể thực hiện là các tổ chức nghiên cứu và cơ quan quản lý xây dựng, áp dụng trong quy chuẩn và hướng dẫn kỹ thuật.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm và móng cọc: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô hình phân tích giúp tối ưu thiết kế cọc và tường chắn, đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công hố đào sâu.

  2. Nhà thầu thi công và quản lý dự án xây dựng: Thông tin về ảnh hưởng dòng thấm đến ma sát thân cọc giúp điều chỉnh biện pháp thi công, kiểm soát mực nước và giảm thiểu rủi ro sự cố hố đào.

  3. Các nhà nghiên cứu và giảng viên trong lĩnh vực kỹ thuật xây dựng và địa kỹ thuật: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết, phương pháp thí nghiệm và phân tích dữ liệu phục vụ nghiên cứu sâu hơn về tương tác đất-cọc và ổn định hố đào.

  4. Cơ quan quản lý xây dựng và ban hành tiêu chuẩn: Kết quả nghiên cứu hỗ trợ xây dựng các quy chuẩn, tiêu chuẩn kỹ thuật liên quan đến thiết kế và thi công hố đào sâu, đặc biệt trong điều kiện đất cát và dòng thấm phức tạp.

Câu hỏi thường gặp

  1. Dòng thấm ảnh hưởng như thế nào đến ma sát thân cọc trong hố đào?
    Dòng thấm hướng lên làm tăng áp lực nước lỗ rỗng, giảm ứng suất hữu hiệu và liên kết giữa các hạt đất, dẫn đến giảm ma sát thân cọc. Ví dụ, ma sát có thể giảm đến 91,23% trong điều kiện dòng thấm mạnh.

  2. Tại sao ma sát thân cọc ngoài hố đào lại tăng khi có dòng thấm?
    Dòng thấm ngoài hố đào thường hướng xuống hoặc có áp lực nước khác biệt, làm tăng ứng suất hữu hiệu và ma sát giữa đất và cọc, giúp tăng sức kháng ma sát thân cọc.

  3. Chiều sâu hố đào và độ ngàm tường chắn ảnh hưởng thế nào đến ma sát thân cọc?
    Tăng chiều sâu hố đào làm tăng biên độ giảm ma sát do dòng thấm, trong khi tăng độ ngàm tường chắn giúp giảm tác động tiêu cực của dòng thấm lên ma sát thân cọc.

  4. Phương pháp nào được sử dụng để đo ma sát thân cọc trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu sử dụng hệ thống cân đo ma sát trực tiếp kết hợp với 68 ống đo áp lực nước lỗ rỗng dọc thân cọc, đồng thời áp dụng phương pháp giải tích dựa trên ứng suất hữu hiệu và áp lực nước.

  5. Lược đồ mối quan hệ giữa khoảng cách cọc và ma sát thân cọc có ứng dụng gì trong thực tế?
    Lược đồ giúp kỹ sư đánh giá mức độ giảm hoặc tăng ma sát thân cọc theo vị trí cọc, từ đó điều chỉnh thiết kế và biện pháp thi công phù hợp để đảm bảo ổn định hố đào và an toàn công trình.

Kết luận

  • Dòng thấm có ảnh hưởng rõ rệt đến ma sát thân cọc trong đất cát, làm giảm ma sát đối với cọc trong hố đào và tăng ma sát đối với cọc ngoài hố đào.
  • Ma sát thân cọc giảm mạnh nhất gần tường chắn, với mức giảm lên đến 91,23% trong điều kiện dòng thấm mạnh và hố đào sâu.
  • Chiều sâu hố đào và độ ngàm tường chắn là hai yếu tố quan trọng quyết định mức độ ảnh hưởng của dòng thấm đến ma sát thân cọc.
  • Nghiên cứu đã xây dựng lược đồ mối quan hệ giữa khoảng cách cọc, ma sát thân cọc và hệ số an toàn chống xói ngầm, làm cơ sở tham khảo cho thiết kế và thi công hố đào sâu.
  • Đề xuất tăng độ ngàm tường chắn, kiểm soát mực nước và áp dụng phương pháp đo áp lực nước để nâng cao độ an toàn và hiệu quả thi công hố đào sâu.

Tiếp theo, các kỹ sư và nhà nghiên cứu nên áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế thi công, đồng thời mở rộng nghiên cứu với các loại đất khác và điều kiện dòng thấm phức tạp hơn nhằm hoàn thiện giải pháp ổn định hố đào sâu. Để biết thêm chi tiết và ứng dụng cụ thể, quý độc giả có thể liên hệ với tác giả hoặc các đơn vị nghiên cứu chuyên ngành kỹ thuật xây dựng.