Tổng quan nghiên cứu

Việc lựa chọn bề rộng móng băng giao thoa cho công trình nhà phố là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu tải và độ lún của nền đất, cũng như nội lực trong kết cấu khung và móng. Theo ước tính, tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, nhà phố cao từ 4 đến 6 tầng chiếm tỷ lệ lớn trong tổng số công trình xây dựng dân dụng, do đó việc nghiên cứu thủ tục chọn sơ bộ bề rộng móng băng giao thoa phù hợp với điều kiện đất nền thực tế là rất cần thiết. Mục tiêu nghiên cứu nhằm xây dựng thủ tục chọn sơ bộ bề rộng móng băng giao thoa cho công trình nhà phố dựa trên phân tích ứng xử đồng thời của khung – móng – nền, đảm bảo các điều kiện về độ lún và khả năng chịu tải của đất nền.

Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công trình nhà phố cao 4-6 tầng, với kích thước mặt bằng điển hình rộng 5m, dài khoảng 14-15m, tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh và một số địa phương lân cận. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu địa chất thực tế được khảo sát bởi các đơn vị tư vấn xây dựng, kết hợp với các tiêu chuẩn thiết kế nền móng theo TCVN 9362 – 2012. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp một quy trình chọn bề rộng móng băng giao thoa tối ưu, giúp kỹ sư thiết kế tiết kiệm thời gian, giảm thiểu sai sót và nâng cao độ chính xác trong tính toán kết cấu móng nhà phố.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai mô hình lý thuyết chính để mô phỏng và phân tích ứng xử của kết cấu và đất nền:

  1. Mô hình Mohr-Coulomb: Đây là mô hình đất cơ bản, mô phỏng ứng xử đàn hồi – dẻo của đất nền dựa trên tiêu chuẩn phá hoại Mohr-Coulomb. Mô hình này sử dụng 5 thông số chính gồm mô đun đàn hồi (E), hệ số Poisson (ν), lực dính hữu hiệu (c), góc ma sát trong (φ) và góc giãn nở (ψ). Mô hình phù hợp cho giai đoạn nghiên cứu ban đầu với tính toán nhanh và đơn giản.

  2. Mô hình Hardening Soil (Tăng bền đẳng hướng): Mô hình nâng cao hơn, mô phỏng chính xác hơn ứng xử phi tuyến của đất nền, bao gồm cả tăng bền chống cắt và tăng bền chống nén. Mô hình sử dụng các mô đun độ cứng khác nhau (E50ref, Eurref, Eoedref) và xét đến biến dạng dẻo theo lý thuyết dẻo, phù hợp với các loại đất mềm và cứng, phản ánh đúng đặc tính thực tế của đất nền.

Ngoài ra, nghiên cứu còn áp dụng các phân tích về trạng thái thoát nước của đất nền (Drained, Undrained, Non-porous) để mô phỏng chính xác quá trình cố kết và áp lực nước lỗ rỗng trong đất. Các phần tử hữu hạn trong Plaxis 3D được sử dụng để mô phỏng chi tiết kết cấu khung – móng – nền, bao gồm phần tử dầm, tường, sàn và bề mặt với các bậc tự do phù hợp.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm các hồ sơ khảo sát địa chất thực tế tại Thành phố Hồ Chí Minh do Công ty TNHH Tư vấn Xây dựng 146 thực hiện, kết hợp với các bảng tra cứu tiêu chuẩn trong TCVN 9362 – 2012. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm các công trình nhà phố điển hình cao 4-6 tầng, mặt bằng 5x14-15m.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis 3D để mô phỏng đồng thời kết cấu khung – móng – nền trên nền đất đàn hồi phi tuyến, so sánh với mô hình Etabs để kiểm chứng nội lực kết cấu. Phân tích được thực hiện qua các bước: xây dựng mô hình kết cấu và đất nền, nhập thông số vật liệu, gán tải trọng, chạy mô phỏng và thu thập kết quả về nội lực, chuyển vị và ứng suất dưới đáy móng.

Timeline nghiên cứu kéo dài khoảng 2 năm, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích số liệu và đề xuất thủ tục chọn bề rộng móng băng giao thoa.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của bề rộng móng băng giao thoa đến độ lún nền: Kết quả mô phỏng cho thấy khi tăng bề rộng móng băng giao thoa từ 0,8m lên 1,2m, độ lún trung bình giảm khoảng 15-20%, đảm bảo điều kiện lún tối đa S ≤ 8 cm theo tiêu chuẩn thiết kế. Điều này chứng tỏ việc chọn bề rộng móng phù hợp giúp giảm áp lực tập trung lên nền đất.

  2. So sánh nội lực kết cấu giữa Plaxis 3D và Etabs: Nội lực trong dầm và cột của mô hình Plaxis 3D có sự phân bố lại rõ rệt so với mô hình Etabs, với sai số nội lực khoảng 10-12%. Mô hình Plaxis 3D phản ánh chính xác sự ảnh hưởng của nền đất đàn hồi phi tuyến đến kết cấu, trong khi Etabs giả định nền cứng, dẫn đến sai lệch trong tính toán.

  3. Phân tích ứng xử đồng thời khung – móng – nền: Khi mô phỏng làm việc đồng thời, mômen dầm móng tăng trung bình 8% so với mô hình làm việc riêng lẻ, lực dọc tại chân cột cũng thay đổi khoảng 5-7%. Điều này cho thấy sự tương tác giữa các bộ phận kết cấu ảnh hưởng đáng kể đến nội lực và cần được tính toán đồng bộ.

  4. Thủ tục chọn sơ bộ bề rộng móng băng giao thoa: Dựa trên các mô hình tính toán với nhiều loại đất nền phổ biến tại TP.HCM, thủ tục chọn bề rộng móng băng giao thoa được đề xuất với các bước cụ thể, đảm bảo điều kiện ứng suất trung bình dưới đáy móng nằm trong khoảng 0,8 Rtc ≤ σ_tb ≤ Rtc và độ lún không vượt quá giới hạn cho phép.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt nội lực và chuyển vị giữa các mô hình là do Plaxis 3D mô phỏng chính xác tính phi tuyến và tương tác giữa khung – móng – nền, trong khi Etabs chỉ mô hình hóa kết cấu khung trên nền cứng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trong nước và quốc tế về phân tích kết cấu trên nền đất đàn hồi phi tuyến.

Việc áp dụng mô hình Hardening Soil trong Plaxis 3D giúp phản ánh đúng đặc tính biến dạng và tăng bền của đất nền, từ đó đưa ra các lựa chọn móng băng phù hợp hơn so với mô hình Mohr-Coulomb đơn giản. Các biểu đồ mômen dầm, lực dọc cột và độ lún nền được trình bày dưới dạng bảng và đồ thị giúp minh họa rõ ràng sự khác biệt và hiệu quả của phương pháp đề xuất.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, giúp kỹ sư thiết kế có cơ sở khoa học để lựa chọn bề rộng móng băng giao thoa phù hợp, giảm thiểu rủi ro công trình và tối ưu chi phí xây dựng.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng thủ tục chọn sơ bộ bề rộng móng băng giao thoa: Kỹ sư thiết kế nên sử dụng thủ tục đề xuất trong luận văn để lựa chọn bề rộng móng băng cho nhà phố cao 4-6 tầng, đảm bảo các điều kiện về độ lún và ứng suất nền đất. Thời gian áp dụng ngay trong giai đoạn thiết kế sơ bộ.

  2. Sử dụng phần mềm Plaxis 3D trong phân tích kết cấu khung – móng – nền: Khuyến nghị các đơn vị tư vấn và thiết kế áp dụng Plaxis 3D để mô phỏng đồng thời kết cấu và nền đất, nâng cao độ chính xác trong tính toán nội lực và chuyển vị, đặc biệt với các công trình có điều kiện đất nền phức tạp.

  3. Khảo sát địa chất chi tiết trước khi thiết kế móng: Để đảm bảo tính chính xác của thủ tục chọn móng, cần tiến hành khảo sát địa chất đầy đủ, xác định các thông số cơ lý đất nền như mô đun đàn hồi, lực dính, góc ma sát, hệ số thấm. Chủ thể thực hiện là các đơn vị khảo sát địa chất, thời gian thực hiện trước khi thiết kế móng.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực kỹ sư thiết kế: Tổ chức các khóa đào tạo về mô hình phần tử hữu hạn, mô hình Hardening Soil và ứng dụng Plaxis 3D cho kỹ sư thiết kế kết cấu và móng, nhằm nâng cao năng lực áp dụng các phương pháp tính toán hiện đại. Thời gian triển khai trong vòng 6-12 tháng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và móng: Luận văn cung cấp quy trình chọn bề rộng móng băng giao thoa dựa trên phân tích đồng thời khung – móng – nền, giúp kỹ sư có cơ sở khoa học để thiết kế móng chính xác và tối ưu.

  2. Chuyên gia khảo sát địa chất công trình: Thông tin về các thông số cơ lý đất nền và mô hình đất được trình bày chi tiết giúp chuyên gia hiểu rõ hơn về yêu cầu dữ liệu đầu vào phục vụ thiết kế móng.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng phần tử hữu hạn trong phân tích kết cấu và đất nền, cũng như các mô hình vật liệu đất hiện đại.

  4. Các nhà quản lý dự án xây dựng: Hiểu được tầm quan trọng của việc lựa chọn móng băng phù hợp giúp quản lý dự án kiểm soát chất lượng và chi phí xây dựng hiệu quả hơn.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần phân tích đồng thời khung – móng – nền thay vì tính riêng lẻ?
    Phân tích đồng thời giúp phản ánh chính xác sự tương tác giữa kết cấu và nền đất, từ đó nội lực và chuyển vị được tính toán sát thực tế hơn, tránh sai số lớn khi tính riêng lẻ.

  2. Mô hình Hardening Soil có ưu điểm gì so với Mohr-Coulomb?
    Hardening Soil mô phỏng được tính phi tuyến, tăng bền đẳng hướng và biến dạng dẻo của đất nền, phù hợp với nhiều loại đất khác nhau, cho kết quả chính xác hơn trong phân tích kết cấu trên nền đất.

  3. Thủ tục chọn bề rộng móng băng giao thoa áp dụng cho loại công trình nào?
    Thủ tục phù hợp với nhà phố cao từ 4 đến 6 tầng, mặt bằng điển hình 5x14-15m, xây dựng trên các loại đất nền phổ biến tại khu vực đô thị như Thành phố Hồ Chí Minh.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các vùng đất khác không?
    Có thể, nhưng cần điều chỉnh thông số đất nền phù hợp với đặc điểm địa chất từng vùng, đồng thời kiểm tra lại các điều kiện về tải trọng và kích thước công trình.

  5. Làm thế nào để kỹ sư không chuyên về Plaxis 3D có thể áp dụng thủ tục này?
    Luận văn cung cấp quy trình chi tiết và các bảng tham khảo bề rộng móng băng theo điều kiện đất nền, kỹ sư có thể sử dụng trực tiếp mà không cần mô phỏng phức tạp, hoặc phối hợp với chuyên gia phân tích số.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xây dựng thành công thủ tục chọn sơ bộ bề rộng móng băng giao thoa cho công trình nhà phố dựa trên phân tích đồng thời khung – móng – nền với mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 3D.
  • Mô hình Hardening Soil được áp dụng giúp mô phỏng chính xác đặc tính phi tuyến và tăng bền của đất nền, nâng cao độ tin cậy của kết quả tính toán.
  • So sánh với mô hình Etabs cho thấy sự khác biệt rõ rệt về nội lực và chuyển vị, khẳng định tính ưu việt của phương pháp phân tích đồng thời.
  • Thủ tục chọn bề rộng móng băng giao thoa giúp kỹ sư thiết kế tiết kiệm thời gian, giảm thiểu sai sót và tối ưu chi phí xây dựng.
  • Đề xuất triển khai áp dụng thủ tục trong thiết kế thực tế, đồng thời đào tạo kỹ sư về mô hình phần tử hữu hạn và mô hình đất nâng cao để nâng cao chất lượng thiết kế móng nhà phố.

Hành động tiếp theo: Các đơn vị thiết kế và tư vấn nên áp dụng thủ tục này trong các dự án nhà phố, đồng thời phối hợp với đơn vị khảo sát địa chất để cập nhật thông số đất nền chính xác. Kỹ sư thiết kế cần được đào tạo bài bản về phần mềm Plaxis 3D và mô hình Hardening Soil để nâng cao năng lực chuyên môn.