Tổng quan nghiên cứu

Việc phát triển các công trình cao tầng ngày càng gia tăng nhu cầu sử dụng không gian ngầm như tầng hầm kỹ thuật, bãi đậu xe ngầm và hệ thống giao thông dưới lòng đất. Tại các khu vực có nền đất yếu như thành phố Cần Thơ, việc thi công hố đào sâu để xây dựng móng cọc và tầng hầm gặp nhiều thách thức do đặc tính địa chất phức tạp. Cụ thể, khu vực nghiên cứu có lớp bùn sét rất yếu dày khoảng 37m với chỉ số SPT từ 0 đến 1, bên dưới là lớp cát pha dày 5,5m với SPT trung bình 7 và lớp sét pha dày 9m với SPT trung bình 21. Quá trình thi công hố đào sâu 10m được chống đỡ bằng tường vây cọc ba-rét dày 0,6m và chiều sâu 22m, đồng thời hệ cọc khoan nhồi đường kính 1200mm dài 54m đã được thi công trước để chống đỡ kết cấu trên.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của độ cứng tường vây đến biến dạng và ứng xử của cọc bên trong hố đào trong quá trình thi công tầng hầm trên nền đất yếu. Mục tiêu cụ thể là phân tích chuyển vị ngang và mômen uốn trong cọc do tải trọng ngang phát sinh từ chuyển vị đất nền, từ đó xác định phạm vi ảnh hưởng và đề xuất giải pháp kỹ thuật phù hợp. Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn 2012-2014 tại thành phố Cần Thơ, với ý nghĩa quan trọng trong việc đảm bảo an toàn kết cấu móng cọc, giảm thiểu sự cố nghiêng lệch và gãy cọc, đồng thời tối ưu chi phí và tiến độ thi công công trình cao tầng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai mô hình lý thuyết chính trong phân tích ứng xử đất và kết cấu móng:

  • Mô hình Mohr-Coulomb (MC): Mô hình đàn hồi - dẻo với mặt ngưỡng cố định, sử dụng 5 thông số cơ bản gồm mô đun Young (E), hệ số Poisson (ν), góc ma sát (ϕ), lực dính (c) và góc giãn nở (ψ). Mô hình này phù hợp để mô phỏng ứng xử cơ bản của đất nền trong điều kiện tải trọng nhỏ và biến dạng tuyến tính.

  • Mô hình Hardening Soil (HS): Mô hình nâng cao mô phỏng ứng xử phi tuyến, không đàn hồi và phụ thuộc ứng suất của đất. Mô hình sử dụng ba giá trị độ cứng đầu vào (E50ref, Eurref, Eoed) để mô phỏng chính xác biến dạng đàn hồi và dẻo của đất mềm và đất cứng. HS cho phép mô phỏng biến dạng thể tích tái bền và ứng suất lệch, phù hợp với điều kiện đất yếu phức tạp tại Cần Thơ.

Các khái niệm chính bao gồm chuyển vị ngang của tường chắn (δhm), độ cứng tường chắn (EI), chiều sâu hố đào (He), hệ số an toàn chống trồi nền (Fb) và mômen uốn trong cọc. Nghiên cứu cũng tham khảo các mô hình phân tích phần tử hữu hạn 2D và 3D, phương pháp phần tử biên, cùng các kết quả thực nghiệm từ máy ly tâm và quan trắc thực địa.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) với phần mềm Plaxis 3D Foundation để mô phỏng quá trình thi công hố đào sâu và phân tích ảnh hưởng đến cọc bên trong hố đào. Cỡ mẫu mô hình được xây dựng dựa trên dữ liệu địa chất thực tế tại Cần Thơ, với mô hình gồm các lớp đất bùn sét, cát pha và sét pha theo đặc trưng SPT và các thông số cơ học được xác định từ thí nghiệm nén 3 trục thoát nước và thí nghiệm SPT.

Phương pháp chọn mẫu mô hình dựa trên kích thước hố đào thực tế (10m sâu), chiều dài tường vây (22m đến 44m) và độ dày tường vây (600mm, 800mm, 1000mm). Các bước mô phỏng bao gồm tạo mô hình hình học 3D, chia lưới phần tử hữu hạn với số lượng nút đủ lớn để đảm bảo độ chính xác, thiết lập điều kiện biên, tải trọng và mực nước ngầm. Phân tích được thực hiện theo các giai đoạn thi công thực tế, bao gồm thi công tường vây, cọc khoan nhồi và đào đất.

Phương pháp phân tích tập trung vào đánh giá chuyển vị ngang và mômen uốn trong cọc, so sánh ảnh hưởng của các biến đổi độ cứng tường vây và chiều sâu cắm tường. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ 2012 đến 2014, đảm bảo tính thực tiễn và áp dụng cho các công trình xây dựng tầng hầm trên nền đất yếu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ cứng tường vây đến chuyển vị ngang của cọc: Khi tăng độ dày tường vây từ 600mm lên 1000mm, chuyển vị ngang của cọc bên trong hố đào giảm đáng kể, với mức giảm khoảng 15-25% tùy theo chiều sâu cắm tường. Ví dụ, với chiều sâu tường 22m, chuyển vị ngang cọc giảm từ khoảng 30mm xuống còn 22mm khi tăng độ dày tường.

  2. Ảnh hưởng của chiều sâu cắm tường vây: Tăng chiều sâu cắm tường từ 22m lên 44m làm giảm chuyển vị ngang cực đại của tường chắn và cọc bên trong hố đào khoảng 30-40%. Chuyển vị ngang tường chắn giảm từ 45mm xuống còn khoảng 27mm khi chiều sâu tăng gấp đôi.

  3. Mômen uốn trong cọc: Mômen uốn cực đại trong cọc giảm khi độ cứng tường vây và chiều sâu cắm tường tăng lên. Với tường dày 1000mm và chiều sâu 44m, mômen uốn giảm khoảng 35% so với trường hợp tường dày 600mm và chiều sâu 22m. Mômen uốn lớn nhất thường xuất hiện tại vị trí tiếp giáp giữa lớp đất sét yếu và sét cứng.

  4. Phạm vi ảnh hưởng của hố đào: Vùng cọc bị ảnh hưởng bởi chuyển vị ngang do thi công hố đào sâu được xác định trong phạm vi khoảng 3-5m tính từ tường vây. Cọc nằm ngoài phạm vi này chịu ảnh hưởng rất nhỏ về chuyển vị và mômen uốn.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy độ cứng tường vây và chiều sâu cắm tường là hai yếu tố quan trọng quyết định mức độ biến dạng của cọc bên trong hố đào. Việc tăng độ cứng tường vây làm giảm chuyển vị ngang của đất nền và cọc, từ đó giảm mômen uốn gây nứt hoặc gãy cọc. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây của Clough và O’Rourke (1990) cũng như kết quả thực nghiệm máy ly tâm của Leung (2000).

So sánh với các nghiên cứu tại các công trình ở TP. Hồ Chí Minh, nơi xảy ra sự cố nghiêng lệch và gãy cọc do chuyển vị ngang đất lớn, nghiên cứu này cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế tường vây và hệ chống phù hợp nhằm hạn chế sự cố tương tự. Biểu đồ chuyển vị ngang và mômen uốn có thể được trình bày dưới dạng đồ thị đường cong thể hiện mối quan hệ giữa độ dày tường, chiều sâu cắm tường và biến dạng cọc, giúp kỹ sư dễ dàng lựa chọn giải pháp thiết kế tối ưu.

Ngoài ra, nghiên cứu cũng chỉ ra rằng việc không xét đến tải trọng ngang do thi công hố đào trong thiết kế móng cọc có thể dẫn đến nguy cơ phá hoại kết cấu, đặc biệt trong điều kiện đất yếu dày như tại Cần Thơ. Do đó, việc áp dụng mô hình phần tử hữu hạn 3D với các thông số địa chất thực tế là cần thiết để đánh giá chính xác ứng xử của cọc và đảm bảo an toàn công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng độ dày tường vây bê tông cốt thép: Khuyến nghị sử dụng tường vây có độ dày tối thiểu 800mm, ưu tiên 1000mm trong các công trình có hố đào sâu trên nền đất yếu để giảm chuyển vị ngang và mômen uốn trong cọc. Thời gian áp dụng: ngay từ giai đoạn thiết kế móng.

  2. Tăng chiều sâu cắm tường vây: Thiết kế chiều sâu cắm tường vây tối thiểu 30m, ưu tiên 40m để đảm bảo ổn định tổng thể và giảm chuyển vị tường chắn. Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và nhà thầu thi công.

  3. Áp dụng mô hình phần tử hữu hạn 3D trong thiết kế: Sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation để mô phỏng chi tiết quá trình thi công hố đào và đánh giá ảnh hưởng đến cọc bên trong hố đào, từ đó đưa ra các biện pháp thi công phù hợp. Thời gian: trong giai đoạn thiết kế và chuẩn bị thi công.

  4. Giám sát chuyển vị và ứng suất trong quá trình thi công: Lắp đặt hệ thống đo chuyển vị ngang và mômen uốn trong cọc để theo dõi biến dạng thực tế, kịp thời điều chỉnh biện pháp thi công khi phát hiện chuyển vị vượt giới hạn cho phép. Chủ thể: nhà thầu thi công và tư vấn giám sát.

  5. Đào tạo và nâng cao nhận thức kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về thi công hố đào sâu trên nền đất yếu cho kỹ sư và công nhân nhằm giảm thiểu rủi ro sự cố cọc bị nghiêng lệch hoặc gãy. Thời gian: liên tục trong quá trình triển khai dự án.

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 chi tiết giúp thiết kế tường vây và móng cọc phù hợp với điều kiện đất yếu, giảm thiểu rủi ro phá hoại kết cấu.

  2. Nhà thầu thi công công trình cao tầng: Tham khảo để lựa chọn biện pháp thi công hố đào sâu an toàn, kiểm soát chuyển vị đất và cọc trong quá trình thi công, đảm bảo tiến độ và chất lượng công trình.

  3. Tư vấn giám sát và quản lý dự án: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch giám sát chuyển vị, đánh giá rủi ro và đề xuất các biện pháp xử lý kịp thời khi phát hiện sự cố.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng và địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn 3D trong phân tích ảnh hưởng hố đào sâu trên nền đất yếu, đồng thời cung cấp dữ liệu thực tế và mô hình mô phỏng chi tiết.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần phân tích ảnh hưởng của độ cứng tường vây đến cọc bên trong hố đào?
    Việc thi công hố đào sâu trên nền đất yếu gây chuyển vị ngang đất, tạo ra tải trọng ngang lên cọc. Độ cứng tường vây ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ chuyển vị này, từ đó ảnh hưởng đến biến dạng và mômen uốn trong cọc, quyết định an toàn kết cấu móng.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn 3D có ưu điểm gì trong nghiên cứu này?
    Phương pháp này cho phép mô phỏng chính xác tương tác giữa đất, tường vây và cọc trong không gian ba chiều, phản ánh đúng điều kiện thi công thực tế và biến dạng phi tuyến của đất, giúp dự đoán chuyển vị và ứng suất một cách chi tiết.

  3. Chiều sâu cắm tường vây ảnh hưởng như thế nào đến chuyển vị tường chắn?
    Tăng chiều sâu cắm tường vây làm tăng khả năng khống chế chuyển vị ngang của tường chắn, giảm chuyển vị cực đại và tăng độ ổn định tổng thể của hố đào, từ đó giảm ảnh hưởng đến cọc bên trong.

  4. Làm thế nào để giám sát chuyển vị và mômen uốn trong cọc khi thi công?
    Có thể lắp đặt các thiết bị đo chuyển vị ngang và cảm biến ứng suất trong cọc để theo dõi biến dạng và ứng suất theo thời gian, giúp phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường và điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời.

  5. Giải pháp nào hiệu quả nhất để hạn chế sự cố nghiêng lệch cọc trong hố đào sâu?
    Kết hợp tăng độ cứng và chiều sâu cắm tường vây, sử dụng mô hình phân tích phần tử hữu hạn để thiết kế và giám sát thi công chặt chẽ, đồng thời áp dụng hệ thống chống đỡ phù hợp và giám sát chuyển vị liên tục là giải pháp toàn diện và hiệu quả.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ ảnh hưởng tích cực của việc tăng độ cứng và chiều sâu cắm tường vây đến giảm chuyển vị ngang và mômen uốn trong cọc bên trong hố đào sâu trên nền đất yếu Cần Thơ.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn 3D với phần mềm Plaxis 3D Foundation là công cụ hiệu quả để mô phỏng và phân tích ứng xử kết cấu móng trong điều kiện thi công thực tế.
  • Kết quả nghiên cứu cung cấp biểu đồ chuyển vị và mômen uốn giúp xác định phạm vi ảnh hưởng và thiết kế tường vây phù hợp, góp phần giảm thiểu sự cố nghiêng lệch và gãy cọc.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật cụ thể bao gồm tăng độ dày tường vây, chiều sâu cắm tường, giám sát chuyển vị và đào tạo kỹ thuật nhằm nâng cao an toàn thi công.
  • Các bước tiếp theo cần triển khai áp dụng mô hình phân tích trong thiết kế công trình thực tế và phát triển hệ thống giám sát chuyển vị tự động để nâng cao hiệu quả quản lý thi công.

Khuyến khích các kỹ sư, nhà thầu và nhà nghiên cứu áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng và an toàn công trình xây dựng trên nền đất yếu.