Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng tại Việt Nam, đặc biệt tại các thành phố lớn như Hà Nội, TP. Hồ Chí Minh và Đà Nẵng, việc khai thác không gian ngầm trở thành xu hướng tất yếu nhằm tận dụng hiệu quả quỹ đất hạn chế. Theo ước tính, các công trình ngầm như tầng hầm, bãi đỗ xe ngầm và trung tâm thương mại ngầm ngày càng phổ biến, góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng đất đô thị và cải thiện cảnh quan. Tuy nhiên, thi công hố đào sâu trong điều kiện địa chất yếu, đặc biệt là đất sét yếu và mực nước ngầm cao, đặt ra nhiều thách thức về ổn định kết cấu và chuyển vị tường chắn.

Luận văn tập trung nghiên cứu chuyển vị tường chắn hố đào sâu công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM). Mục tiêu chính là tính toán chuyển vị tường chắn trong quá trình thi công hố đào sâu, đánh giá ảnh hưởng của bề rộng hố đào đến chuyển vị tường, từ đó đề xuất các giải pháp kỹ thuật đảm bảo an toàn công trình. Nghiên cứu được thực hiện trên cơ sở dữ liệu khảo sát địa chất, thủy văn và thông số kỹ thuật của công trình tại Sóc Trăng trong năm 2017.

Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công hố đào sâu trong điều kiện địa chất yếu, góp phần giảm thiểu rủi ro sự cố công trình, đồng thời nâng cao hiệu quả khai thác không gian ngầm tại các đô thị Việt Nam. Kết quả nghiên cứu cũng hỗ trợ các kỹ sư địa kỹ thuật trong việc lựa chọn phương pháp tính toán và giải pháp chống đỡ phù hợp, đảm bảo độ ổn định và an toàn trong thi công và vận hành công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Lý thuyết ứng suất - biến dạng đất nền: Phân tích sự thay đổi ứng suất hữu hiệu và áp lực nước lỗ rỗng trong đất nền khi thi công hố đào sâu, dựa trên các nghiên cứu của Terzaghi, Peck và các chuyên gia địa kỹ thuật. Các yếu tố như đặc tính đất (đất sét yếu, đất cát), trạng thái nước ngầm, và hiệu ứng thời gian - không gian được xem xét kỹ lưỡng.

  2. Mô hình Mohr-Coulomb và mô hình Hardening Soil (HS): Mô hình Mohr-Coulomb được sử dụng để mô phỏng ứng xử đàn hồi - dẻo của đất với 5 tham số cơ bản (mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, góc ma sát, lực dính, góc dẻo). Mô hình Hardening Soil cung cấp mô phỏng chính xác hơn với 9 tham số, bao gồm các đặc tính tăng cường lực cản và biến dạng dẻo thể tích, phù hợp với đất mềm và đất cứng.

Các khái niệm chính bao gồm: chuyển vị tường chắn, áp lực đất và nước, hệ số an toàn ổn định, độ cứng tường chắn và thanh chống, chiều sâu và bề rộng hố đào, cũng như ảnh hưởng của trình tự thi công.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khảo sát địa chất thủy văn, kết quả thí nghiệm cơ lý đất nền tại công trình Ngân hàng Vietinbank chi nhánh Sóc Trăng, cùng các thông số thiết kế kỹ thuật của tường chắn và hệ thống chống đỡ.

Phương pháp nghiên cứu kết hợp:

  • Phương pháp kế thừa: Tổng hợp và áp dụng các lý thuyết, mô hình đã được công nhận về chuyển vị tường chắn và ổn định hố đào sâu.

  • Phương pháp phân tích số: Sử dụng phần mềm Plaxis 2D dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng quá trình thi công hố đào sâu, tính toán chuyển vị tường chắn và biến dạng đất nền theo từng giai đoạn thi công.

Cỡ mẫu nghiên cứu là công trình thực tế tại Sóc Trăng với các lớp đất nền đặc trưng gồm đất sét yếu, đất cát bùn và mực nước ngầm cao. Phương pháp chọn mẫu dựa trên khảo sát hiện trường và thí nghiệm cơ lý đất nền. Timeline nghiên cứu kéo dài trong năm 2017, bao gồm thu thập dữ liệu, mô phỏng số và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chuyển vị tường chắn tăng theo chiều sâu và bề rộng hố đào: Kết quả mô phỏng cho thấy chuyển vị tường chắn lớn nhất đạt khoảng 0,3% chiều cao tường khi chiều sâu hố đào vượt 15m và bề rộng hố đào tăng lên gấp đôi so với kích thước ban đầu. Điều này phù hợp với các nghiên cứu trước đây, cho thấy mối quan hệ tỷ lệ thuận giữa kích thước hố đào và chuyển vị tường.

  2. Ảnh hưởng của độ cứng thanh chống và khoảng cách chống: Độ cứng thanh chống tăng làm giảm chuyển vị tường nhưng hiệu quả giảm không tuyến tính, chỉ đến một giới hạn nhất định. Khoảng cách chống giảm 20% giúp giảm chuyển vị tường khoảng 15%, cho thấy việc bố trí hệ chống hợp lý là yếu tố quan trọng trong kiểm soát chuyển vị.

  3. Mô hình Hardening Soil dự đoán chuyển vị chính xác hơn mô hình Mohr-Coulomb: So sánh với số liệu quan trắc ngoài hiện trường, mô hình HS cho kết quả dự đoán chuyển vị tường và biến dạng mặt đất gần sát thực tế hơn, với sai số dưới 10%, trong khi mô hình Mohr-Coulomb có sai số lên đến 20%.

  4. Ảnh hưởng của trình tự thi công và gia tải trước thanh chống: Thi công nhanh và không đồng bộ gây tăng chuyển vị tường và nguy cơ sụp đổ cục bộ. Gia tải trước thanh chống đặt ở vị trí nông giúp đẩy lùi chuyển vị tường khoảng 10-12%, trong khi gia tải ở vị trí sâu không có tác dụng đáng kể.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của chuyển vị tường chắn là sự thay đổi ứng suất và áp lực nước lỗ rỗng trong đất nền do đào sâu, làm mất cân bằng trạng thái ứng suất ban đầu. Đặc tính đất yếu, đặc biệt là đất sét mềm và mực nước ngầm cao, làm tăng khả năng biến dạng và chuyển vị. Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D cho thấy sự phù hợp với các nghiên cứu thực nghiệm và lý thuyết quốc tế, đồng thời khẳng định tính ưu việt của mô hình Hardening Soil trong mô phỏng đất mềm.

Việc bố trí hệ chống với độ cứng và khoảng cách hợp lý là yếu tố then chốt để kiểm soát chuyển vị tường chắn, giảm thiểu rủi ro công trình. Trình tự thi công và gia tải trước cũng ảnh hưởng lớn đến ổn định hố đào, đòi hỏi sự giám sát chặt chẽ và tuân thủ quy trình kỹ thuật.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị tường theo chiều sâu và bề rộng hố đào, bảng so sánh sai số dự đoán giữa các mô hình đất, và sơ đồ bố trí hệ chống với các thông số kỹ thuật.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa thiết kế hệ thống chống đỡ: Tăng độ cứng thanh chống và giảm khoảng cách chống ngang, đặc biệt trong các giai đoạn đào sâu, nhằm giảm chuyển vị tường xuống dưới mức cho phép. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thiết kế và thi công; Chủ thể: kỹ sư thiết kế và nhà thầu thi công.

  2. Áp dụng mô hình Hardening Soil trong tính toán thiết kế: Sử dụng mô hình HS để mô phỏng ứng xử đất nền chính xác hơn, giúp dự báo chuyển vị và biến dạng đất hiệu quả, từ đó đưa ra giải pháp kỹ thuật phù hợp. Thời gian: áp dụng trong giai đoạn thiết kế; Chủ thể: các chuyên gia địa kỹ thuật.

  3. Kiểm soát chặt chẽ trình tự thi công và gia tải trước thanh chống: Thi công theo đúng quy trình, tránh đào quá nhanh và không đồng bộ; gia tải trước thanh chống ở vị trí nông để đẩy lùi chuyển vị tường. Thời gian: trong quá trình thi công; Chủ thể: nhà thầu thi công và giám sát.

  4. Tăng cường quan trắc và giám sát biến dạng công trình: Lắp đặt hệ thống thiết bị đo chuyển vị tường, độ nghiêng và lún mặt đất để theo dõi sát sao biến dạng trong suốt quá trình thi công, kịp thời điều chỉnh biện pháp thi công khi có dấu hiệu bất thường. Thời gian: suốt quá trình thi công; Chủ thể: chủ đầu tư và đơn vị giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư địa kỹ thuật và thiết kế công trình ngầm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp tính toán chuyển vị tường chắn hố đào sâu, hỗ trợ thiết kế hệ thống chống đỡ hiệu quả.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm: Hiểu rõ ảnh hưởng của trình tự thi công, gia tải trước và các yếu tố địa chất đến chuyển vị tường, từ đó áp dụng biện pháp thi công an toàn, giảm thiểu rủi ro.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để xây dựng kế hoạch quan trắc biến dạng công trình, đảm bảo an toàn trong thi công và vận hành.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo giá trị về ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích chuyển vị tường chắn hố đào sâu, đồng thời cập nhật các mô hình đất hiện đại.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) có ưu điểm gì trong nghiên cứu chuyển vị tường chắn?
    FEM cho phép mô phỏng chi tiết quá trình thi công, bao gồm đặc tính đất, kết cấu tường chắn và hệ thống chống đỡ, giúp dự đoán chính xác chuyển vị và biến dạng đất. Ví dụ, phần mềm Plaxis 2D được sử dụng phổ biến trong nghiên cứu này.

  2. Tại sao mô hình Hardening Soil được ưu tiên hơn mô hình Mohr-Coulomb?
    Mô hình Hardening Soil mô phỏng chính xác hơn đặc tính biến dạng dẻo và tăng cường lực cản của đất mềm, phù hợp với điều kiện đất yếu và có mực nước ngầm cao, giúp dự đoán chuyển vị sát thực tế hơn.

  3. Ảnh hưởng của bề rộng hố đào đến chuyển vị tường chắn như thế nào?
    Bề rộng hố đào tăng làm lực bắt cân bằng tăng, dẫn đến chuyển vị tường chắn lớn hơn. Nghiên cứu cho thấy khi bề rộng hố đào tăng gấp đôi, chuyển vị tường có thể tăng khoảng 20-30%.

  4. Làm thế nào để kiểm soát chuyển vị tường trong thi công hố đào sâu?
    Bố trí hệ thống chống đỡ với độ cứng và khoảng cách hợp lý, thi công đúng trình tự, gia tải trước thanh chống ở vị trí nông, đồng thời giám sát biến dạng liên tục để điều chỉnh kịp thời.

  5. Có những rủi ro nào khi không kiểm soát tốt chuyển vị tường chắn?
    Rủi ro bao gồm sụp đổ tường chắn, lún sụt mặt đất gây ảnh hưởng đến công trình lân cận, mất an toàn thi công và tăng chi phí sửa chữa. Ví dụ, các sự cố sập hố đào đã xảy ra tại một số công trình trong nước và quốc tế.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ mối quan hệ giữa chuyển vị tường chắn với các yếu tố như chiều sâu, bề rộng hố đào, độ cứng hệ chống và trình tự thi công.
  • Mô hình Hardening Soil cho kết quả dự đoán chuyển vị tường và biến dạng đất nền chính xác hơn mô hình Mohr-Coulomb.
  • Việc kiểm soát chuyển vị tường chắn thông qua thiết kế hệ chống đỡ hợp lý và giám sát thi công chặt chẽ là rất cần thiết để đảm bảo an toàn công trình.
  • Kết quả nghiên cứu góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công hố đào sâu trong điều kiện địa chất yếu tại Việt Nam.
  • Đề xuất các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu mô hình 3D, áp dụng cho các công trình phức tạp hơn và phát triển hệ thống giám sát tự động chuyển vị tường.

Call-to-action: Các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng được khuyến khích áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình Hardening Soil trong thiết kế và thi công công trình ngầm để nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế.