Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, nhu cầu xây dựng các công trình cao tầng kèm theo tầng hầm ngày càng gia tăng. Theo ước tính, số lượng công trình có tầng hầm tại các khu vực trung tâm thành phố đã tăng đáng kể trong thập kỷ qua, đặc biệt là các công trình liền kề nhau. Việc thi công các hố đào sâu trong điều kiện liền kề với vách tầng hầm công trình hiện hữu đặt ra nhiều thách thức về an toàn kết cấu và ổn định đất nền. Chuyển vị ngang của tường chắn hố đào sâu là một trong những yếu tố quan trọng cần được kiểm soát để đảm bảo an toàn cho công trình và các công trình lân cận.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu chuyển vị ngang của tường chắn hố đào sâu trong điều kiện thi công liền kề vách tầng hầm công trình hiện hữu tại Thành phố Hồ Chí Minh, với phạm vi nghiên cứu bao gồm công trình thực tế là khách sạn 5 sao tại số 76-78 Nguyễn Thị Minh Khai và công trình Center Tower liền kề. Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây tầng hầm, so sánh kết quả mô phỏng bằng phần mềm Plaxis với số liệu quan trắc thực tế, từ đó rút ra bộ thông số độ cứng đất nền phù hợp và quy trình mô phỏng chính xác. Ngoài ra, luận văn còn so sánh chuyển vị ngang trong điều kiện thi công có và không có công trình hiện hữu liền kề nhằm làm rõ ảnh hưởng của công trình lân cận đến chuyển vị tường chắn.

Nghiên cứu có ý nghĩa thiết thực trong việc nâng cao độ chính xác của các phương pháp tính toán, góp phần đảm bảo an toàn thi công và vận hành công trình ngầm trong điều kiện đô thị phức tạp. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ các kỹ sư thiết kế và thi công trong việc lựa chọn thông số mô hình và biện pháp thi công phù hợp, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình địa kỹ thuật hiện đại để phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Mô hình Hardening Soil (HSM): Đây là mô hình đất nền tiên tiến, mô phỏng ứng xử phi tuyến tính của đất với sự phân biệt rõ ràng giữa biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo, đồng thời thể hiện hiện tượng tái bền chống cắt và chống nén. Mô hình này cho phép xác định các mô-đun biến dạng phụ thuộc vào ứng suất hiện tại và lộ trình ứng suất, giúp mô phỏng chính xác hơn so với mô hình Morh-Coulomb truyền thống.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Phương pháp này được sử dụng để mô phỏng quá trình thi công và phân tích chuyển vị ngang của tường vây. FEM cho phép mô hình hóa chi tiết cấu trúc tường chắn, đất nền và các điều kiện biên phức tạp, đồng thời tích hợp các mô hình vật liệu như Hardening Soil để phân tích ứng xử thực tế.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm: chuyển vị ngang tường vây, mô hình đất nền, ứng suất hữu hiệu, áp lực nước lỗ rỗng, phân tích thoát nước và không thoát nước, hệ số Skempton, mô-đun biến dạng đất nền (E, G, K), sức chống cắt đất nền (c’, φ’), và các phương pháp phân tích chuyển vị (phân tích giản đơn, dầm trên nền đàn hồi, phần tử hữu hạn).

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính của nghiên cứu là số liệu quan trắc chuyển vị ngang thực tế tại công trình khách sạn 5 sao số 76-78 Nguyễn Thị Minh Khai và công trình Center Tower liền kề, cùng với các thông số địa chất khảo sát tại hiện trường. Cỡ mẫu dữ liệu quan trắc bao gồm các giai đoạn thi công từ đào đất đến hoàn thiện tường vây, với độ sâu hố đào lên đến khoảng 13 mét.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D phiên bản V8, sử dụng mô hình Hardening Soil để mô phỏng đất nền. Quy trình nghiên cứu gồm ba bước:

  • Mô phỏng quá trình thi công công trình hiện hữu (Center Tower), hoàn thiện và cô kết đất nền.
  • Mô phỏng quá trình thi công hố đào sâu công trình mới (Diplomat Hotel) liền kề công trình hiện hữu.
  • So sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc để hiệu chỉnh bộ thông số độ cứng đất nền phù hợp.
  • Mô phỏng và so sánh chuyển vị ngang tường vây trong điều kiện có và không có công trình hiện hữu liền kề.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn công trình thực tế có điều kiện thi công liền kề phức tạp, đại diện cho các công trình ngầm tại khu vực trung tâm thành phố. Phân tích dữ liệu sử dụng các biểu đồ chuyển vị ngang theo từng giai đoạn thi công, bảng số liệu chuyển vị lớn nhất, và so sánh trực quan kết quả mô phỏng với quan trắc.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2016 đến tháng 12/2016, bao gồm thu thập số liệu, mô phỏng, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Độ chính xác của mô hình Hardening Soil trong mô phỏng chuyển vị ngang: Kết quả mô phỏng chuyển vị ngang của tường vây bằng phần mềm Plaxis với mô hình Hardening Soil có sự tương đồng cao với số liệu quan trắc thực tế, sai số chuyển vị ngang lớn nhất trong khoảng 5-10%. Ví dụ, tại giai đoạn thi công tường vây Diplomat Hotel, chuyển vị ngang lớn nhất mô phỏng là khoảng 25 mm, trong khi quan trắc thực tế là 23 mm.

  2. Ảnh hưởng của công trình hiện hữu liền kề đến chuyển vị ngang: Chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây trong trường hợp thi công liền kề vách tầng hầm công trình hiện hữu lớn hơn khoảng 15-20% so với trường hợp thi công không có công trình hiện hữu. Điều này cho thấy sự tương tác giữa công trình mới và công trình hiện hữu làm tăng biến dạng đất nền và chuyển vị tường chắn.

  3. Tác động của các thông số độ cứng đất nền: Thông số mô-đun biến dạng Eref trong mô hình Hardening Soil có ảnh hưởng lớn nhất đến kết quả chuyển vị ngang, với sự thay đổi ±50% của Eref dẫn đến biến động chuyển vị ngang từ -24% đến +45%. Các thông số khác như hệ số mũ m và mô-đun đàn hồi Eur cũng ảnh hưởng nhưng ở mức độ thấp hơn.

  4. Phương pháp phân tích thoát nước và không thoát nước: Phân tích thoát nước cho kết quả chuyển vị ngang nhỏ hơn so với phân tích không thoát nước trong các giai đoạn thi công ngắn hạn, phản ánh đúng hiện tượng tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng trong đất nền. Phân tích kép (kết hợp thoát nước và không thoát nước) được khuyến nghị để mô phỏng chính xác hơn quá trình thi công thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt chuyển vị ngang giữa các trường hợp thi công có và không có công trình hiện hữu là do sự thay đổi trạng thái ứng suất và biến dạng đất nền khi có công trình lân cận gây ra sự tương tác phức tạp. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây cho thấy công trình hiện hữu làm tăng ứng suất ngang và giảm độ cứng đất nền khu vực liền kề.

Việc mô hình Hardening Soil cho kết quả gần sát với quan trắc thực tế chứng tỏ mô hình này phù hợp để mô phỏng đất nền tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh, đặc biệt là đất sét yếu và đất cát có tính phi tuyến. So với mô hình Morh-Coulomb truyền thống, Hardening Soil thể hiện tốt hơn hiện tượng tái bền và biến dạng phi tuyến của đất.

Biểu đồ chuyển vị ngang theo từng giai đoạn thi công thể hiện rõ sự gia tăng chuyển vị khi đào sâu và lắp hệ chống, đồng thời giảm dần khi hoàn thiện thi công và cô kết đất nền. Bảng số liệu chuyển vị ngang lớn nhất theo từng giai đoạn giúp đánh giá chính xác mức độ biến dạng và kiểm soát an toàn thi công.

Kết quả cũng cho thấy việc lựa chọn phương pháp phân tích phù hợp (thoát nước, không thoát nước, phân tích kép) là rất quan trọng để dự báo chính xác chuyển vị ngang, đặc biệt trong điều kiện thi công nhanh hoặc đất nền có hệ số thấm trung bình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình Hardening Soil trong phân tích chuyển vị ngang tường vây: Các đơn vị thiết kế và thi công nên sử dụng mô hình Hardening Soil kết hợp với phần mềm phần tử hữu hạn như Plaxis để mô phỏng chính xác chuyển vị ngang trong các công trình hố đào sâu, đặc biệt trong điều kiện thi công liền kề công trình hiện hữu.

  2. Hiệu chỉnh thông số độ cứng đất nền dựa trên số liệu quan trắc thực tế: Cần tiến hành khảo sát địa chất chi tiết và thu thập số liệu quan trắc trong quá trình thi công để hiệu chỉnh bộ thông số mô hình, đặc biệt là mô-đun biến dạng Eref, nhằm nâng cao độ tin cậy của mô phỏng.

  3. Ưu tiên sử dụng phương pháp phân tích kép (couple analysis): Để phản ánh chính xác quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng và biến dạng đất nền theo thời gian, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên áp dụng phân tích kép trong mô phỏng thi công hố đào sâu.

  4. Kiểm soát chặt chẽ chuyển vị ngang trong thi công liền kề: Trong các dự án thi công tầng hầm liền kề công trình hiện hữu, cần thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị và áp lực nước lỗ rỗng để giám sát liên tục, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời nhằm đảm bảo an toàn kết cấu.

  5. Thời gian thực hiện và chủ thể thực hiện: Các giải pháp trên nên được áp dụng ngay trong giai đoạn thiết kế và thi công các công trình ngầm tại Thành phố Hồ Chí Minh, do các đơn vị tư vấn thiết kế, nhà thầu thi công và cơ quan quản lý xây dựng phối hợp thực hiện trong vòng 1-2 năm tới.

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 mô phỏng chuyển vị ngang tường vây, giúp kỹ sư lựa chọn mô hình và thông số phù hợp cho các công trình hố đào sâu trong điều kiện phức tạp.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm: Các biện pháp thi công và kiểm soát chuyển vị được đề xuất giúp nhà thầu đảm bảo an toàn thi công, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh trong quá trình đào đất liền kề công trình hiện hữu.

  3. Cơ quan quản lý xây dựng và giám sát: Số liệu và phương pháp quan trắc chuyển vị ngang trong luận văn hỗ trợ công tác giám sát thi công, đánh giá an toàn công trình và ra quyết định xử lý kịp thời khi có biến dạng vượt giới hạn.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình Hardening Soil và phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích chuyển vị ngang, đồng thời cung cấp case study thực tế tại Thành phố Hồ Chí Minh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải nghiên cứu chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu?
    Chuyển vị ngang ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn kết cấu tường chắn và các công trình lân cận. Việc dự báo chính xác giúp thiết kế hệ chống đỡ phù hợp, tránh sụt lún và hư hỏng công trình.

  2. Mô hình Hardening Soil có ưu điểm gì so với mô hình Morh-Coulomb?
    Hardening Soil mô phỏng được hiện tượng phi tuyến, tái bền và biến dạng nhỏ của đất nền, cho kết quả chính xác hơn trong các bài toán hố đào sâu, đặc biệt với đất sét yếu và đất cát.

  3. Phương pháp phân tích nào phù hợp cho thi công tầng hầm liền kề?
    Phân tích kép (kết hợp thoát nước và không thoát nước) được khuyến nghị vì phản ánh đúng quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng và biến dạng đất theo thời gian thi công.

  4. Làm thế nào để hiệu chỉnh thông số mô hình đất nền?
    Hiệu chỉnh dựa trên so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế trong quá trình thi công, đặc biệt điều chỉnh mô-đun biến dạng Eref và các thông số liên quan.

  5. Chuyển vị ngang trong điều kiện có công trình hiện hữu liền kề khác gì so với không có công trình?
    Chuyển vị ngang lớn hơn khoảng 15-20% do sự tương tác giữa công trình mới và công trình hiện hữu làm thay đổi trạng thái ứng suất và biến dạng đất nền.

Kết luận

  • Luận văn đã chứng minh mô hình Hardening Soil kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn là công cụ hiệu quả để phân tích chuyển vị ngang tường vây hố đào sâu trong điều kiện thi công liền kề công trình hiện hữu.
  • Kết quả mô phỏng có độ chính xác cao, sai số so với quan trắc thực tế trong khoảng 5-10%, giúp nâng cao độ tin cậy trong thiết kế và thi công.
  • Chuyển vị ngang tường vây trong điều kiện có công trình hiện hữu liền kề lớn hơn đáng kể so với trường hợp không có công trình, cần được kiểm soát chặt chẽ.
  • Việc lựa chọn phương pháp phân tích và hiệu chỉnh thông số mô hình đất nền dựa trên số liệu quan trắc là yếu tố then chốt để đạt kết quả chính xác.
  • Đề xuất áp dụng các giải pháp kỹ thuật và biện pháp giám sát phù hợp nhằm đảm bảo an toàn thi công và vận hành công trình ngầm trong đô thị phức tạp.

Next steps: Triển khai áp dụng mô hình và quy trình mô phỏng trong các dự án thực tế, mở rộng nghiên cứu ảnh hưởng của các phương pháp phân tích thoát nước và không thoát nước đến các yếu tố khác của hố đào sâu.

Call-to-action: Các kỹ sư, nhà quản lý và nhà nghiên cứu được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả và an toàn trong thi công công trình ngầm tại các đô thị lớn.