Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong quá trình đô thị hóa tại Thành phố Hồ Chí Minh (TP. HCM), nhu cầu khai thác không gian ngầm phục vụ các công trình hạ tầng kỹ thuật, tầng hầm nhà cao tầng, bãi đỗ xe ngầm và hệ thống xử lý nước thải gia tăng nhanh chóng. Việc thi công hố đào sâu (HĐS) trong khu vực đô thị thường nằm sát các công trình hiện hữu và hệ thống hạ tầng kỹ thuật, đòi hỏi công tác khống chế chuyển vị ngang của tường chắn cũng như độ lún bề mặt đất nền xung quanh phải tuân thủ các giới hạn nghiêm ngặt nhằm tránh sự cố sạt lở, mất ổn định hoặc tổn hại công trình lân cận.

Về bản chất cơ học, thi công hố đào sâu là quá trình dỡ tải đất nền kết hợp gia tải lại trong các giai đoạn lắp đặt hệ kết cấu chống đỡ. Quá trình này làm thay đổi trạng thái ứng suất và biến dạng theo các lộ trình ứng suất đặc thù:

  • Vùng đất sau lưng tường chắn trải qua quá trình dỡ tải theo phương ngang, ứng suất ngang $\sigma_3$ giảm dần trong khi ứng suất đứng $\sigma_1$ hầu như không đổi.
  • Vùng đất dưới đáy hố đào trải qua quá trình dỡ tải theo phương đứng, ứng suất đứng $\sigma_1$ giảm mạnh trong khi ứng suất ngang $\sigma_3$ ít thay đổi.

Tuy nhiên, thực tế thiết kế hố đào sâu trên địa bàn TP. HCM thường dựa trên các chỉ tiêu cơ lý thu được từ thí nghiệm nén một trục hoặc nén ba trục thông thường (lộ trình gia tải), kết hợp sử dụng mô hình đàn dẻo lý tưởng Mohr – Coulomb (MC). Mô hình MC bộc lộ nhiều hạn chế do không mô tả được tính phi tuyến của đất trước khi phá hoại, không phản ánh chính xác sự gia tăng áp lực nước lỗ rỗng trong điều kiện không thoát nước, và dẫn đến sai lệch lớn khi dự báo chuyển vị ngang của tường cũng như độ lún bề mặt nền. Do đó, việc nghiên cứu thực nghiệm nhằm làm rõ sự thay đổi đặc trưng cơ lý của đất yếu TP. HCM theo các lộ trình ứng suất dỡ tải và thiết lập bộ thông số phù hợp cho mô hình đàn dẻo phi tuyến Hardening Soil (HS) là yêu cầu cấp thiết.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định hai mục tiêu chính:

  1. Làm sáng tỏ sự thay đổi các đặc trưng cơ lý (sức kháng cắt, mô đun biến dạng) của đất yếu TP. HCM theo các lộ trình ứng suất dỡ tải mô phỏng trạng thái ứng suất – biến dạng của vùng đất xung quanh hố đào trong tính toán chuyển vị và biến dạng công trình hố đào sâu.
  2. Đề xuất các thông số và mô hình nền phù hợp để tính toán hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) có xét đến quá trình dỡ tải của đất nền trong quá trình thi công đào đất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Trạng thái ứng suất – biến dạng và các đặc trưng cơ lý (sức kháng cắt, mô đun biến dạng) của vùng đất xung quanh và dưới đáy hố đào sâu.
  • Phạm vi không gian: Khu vực địa chất đất loại sét yếu phân bố phổ biến ở độ sâu từ 0 đến 30 m tại TP. HCM (chủ yếu gồm 2 lớp: bùn sét và sét yếu thuộc lưu vực sông Sài Gòn, tập trung tại Quận 2, Quận 4, Quận 6, Quận 7, Quận 8, Bình Thạnh, Bình Chánh, Nhà Bè, Cần Giờ).
  • Phạm vi nội dung: Tập trung vào các chỉ tiêu độ bền ($c', \varphi', c_u$), các loại mô đun biến dạng ($E_{50}, E_{ur}, E_{oed}$), tham số mũ $m$, và ứng dụng mô hình Hardening Soil trong phân tích phần tử hữu hạn cho bài toán hố đào sâu.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Tác giả đã hệ thống hóa các nghiên cứu trong và ngoài nước theo ba nhóm hướng tiếp cận:

  1. Nghiên cứu về trạng thái và lộ trình ứng suất xung quanh hố đào:

    • Khái niệm và cơ chế phân vùng hố đào: Terzaghi và Peck (1967), Peck và cộng sự (1977) phân chia hố nông ($<6\text{ m}$) và hố sâu ($>6\text{ m}$). Wong Kai S. (2001, 2009) phân chia đất nền quanh hố đào thành 4 vùng biến đổi ứng suất, trong đó Vùng I (sau lưng tường) và Vùng II (dưới đáy hố) chịu ảnh hưởng dỡ tải lớn nhất.
    • Thực nghiệm lộ trình ứng suất: Lambe (1970), Bishop và Wesley (1975) đặt nền tảng thiết bị thí nghiệm lộ trình ứng suất. Rahman M. (2010) thực hiện các thí nghiệm CTE, RTE, TE cho đất sét tại Bangladesh. Becker P. (2008) chế tạo thiết bị mô phỏng các lộ trình ứng suất dỡ tải và gia tải quanh hố móng. Ou và cộng sự (2006) khảo sát đất sét bụi Đài Bắc qua thí nghiệm CD, CU theo các lộ trình AC, AE, LE, LC. Ladd và cộng sự (1977) thực hiện thí nghiệm $CK_0U$ chỉ ra góc ma sát hữu hiệu khi nén lớn hơn khi kéo. Hans-Georg Kempfert (2006) phân tích sức kháng cắt không thoát nước ở trạng thái tới hạn giữa nén và kéo. Bishop (1969), Balasubramaniam và Waheed-Uddin (1977) công bố các thí nghiệm kéo ba trục trên đất sét mềm Bangkok cho thấy mô đun biến dạng ban đầu khi dỡ tải/kéo cao hơn khi nén thông thường.
    • Nghiên cứu tại Việt Nam: Nguyễn Trường Huy (2015) chế tạo thiết bị ba trục giảm ứng suất ngang áp dụng mô hình Lade cho đất Hà Nội. Các nghiên cứu trên đất sét Nghi Sơn (Thanh Hóa) với thí nghiệm $CK_0UC$ và $CK_0UE$ kiểm chứng khuynh hướng suy bền theo định đề Drucker (1951).

  2. Nghiên cứu thực nghiệm và quan trắc hiện trường:

    • Peck R. (1969) thiết lập biểu đồ thực nghiệm dự tính lún vùng đất quanh hố móng theo ba nhóm đất. Clough và O'Rourke (1990) đánh giá chuyển vị ngang tường chắn trong sét mềm chiếm khoảng 0,2% chiều sâu đào $H$.
    • Hsieh và Ou (1998) phát triển phương pháp bán thực nghiệm xác định lún mặt tối đa bằng 50% – 75% chuyển vị ngang lớn nhất của tường. Tiêu chuẩn Thượng Hải PSCG (2000) quy định các cấp giới hạn chuyển vị và lún từ $0,14%H$ đến $0,7%H$. Osman A. và Bolton (2006) phát triển phương pháp thiết kế sức kháng huy động (MSD). Zhang và cộng sự (2014) xây dựng mô hình hồi quy đa thức từ 21 công trình thực tế.

  3. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình đất nền:

    • Hashash và Whittle (1996) dùng ABAQUS kết hợp mô hình MIT-E3 phân tích độ lún bề mặt nền sét mềm. Potts D. và Zdravkovic (1999, 2003) chứng minh tính ưu việt của FEM trong phân tích tương tác đất – kết cấu. Chang-Yu Ou (2018) dùng PLAXIS chứng minh mô hình Hardening Soil mô phỏng chuyển vị công trình TNEC (Đài Loan) sát thực hơn các mô hình Mohr – Coulomb, Cam-Clay cải tiến và Hypebol. Janbu N. (1963), Von Soos (1980), Surarak và cộng sự (2000) khảo sát tham số mũ phụ thuộc ứng suất $m$ của mô đun biến dạng cho các loại đất sét khác nhau.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                    KHUNG NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN CỦA ĐỀ TÀI                      |
|                                                                               |
|  [Lý thuyết lộ trình ứng suất]        [Mô hình phần tử hữu hạn]                |
|  - Lambe (1970), Wong (2009)          - Potts (2003), Ou (2018)               |
|  - Lộ trình dỡ tải RTC, RTE           - Mô hình Hardening Soil (HS)           |
|                \                                /                             |
|                 \                              /                              |
|                  v                            v                               |
|        +------------------------------------------------+                     |
|        |   KHOẢNG TRỐNG NGHIÊN CỨU LUẬN ÁN GIẢI QUYẾT   |                     |
|        |   - Chưa có dữ liệu thực nghiệm lộ trình dỡ    |                     |
|        |     tải (RTC, RTE) cho đất sét yếu TP. HCM     |                     |
|        |   - Chưa xác lập bộ tham số mô hình HS         |                     |
|        |     (E50, Eur, Eoed, m) đặc thù cho khu vực    |                     |
|        +------------------------------------------------+                     |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Khoảng trống luận án lựa chọn giải quyết

Các nghiên cứu trước đây tại khu vực TP. HCM chủ yếu sử dụng các chỉ tiêu thí nghiệm ba trục thông thường (CTC) và áp dụng mô hình đàn hồi lý tưởng Mohr – Coulomb, chưa phản ánh đúng bản chất dỡ tải và tính phi tuyến của nền đất xung quanh hố đào. Luận án lựa chọn giải quyết việc xác định quy luật thay đổi sức kháng cắt và mô đun biến dạng của đất yếu TP. HCM bằng thí nghiệm ba trục dỡ tải, đồng thời thiết lập bộ thông số đàn dẻo phi tuyến và số mũ $m$ cho mô hình Hardening Soil để ứng dụng vào tính toán thực tế.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Cơ sở lý thuyết và mô hình đất nền

Luận án tổng kết các lý thuyết tính toán áp lực đất cổ điển và hiện đại:

  • Lý thuyết cân bằng giới hạn: Thuyết khối trượt nêm phẳng của Coulomb (1776) và phương pháp trường ứng suất của Rankine (1857), Sokolovskii (1960, 1965).
  • Mô hình Mohr – Coulomb (MC): Mô hình đàn dẻo lý tưởng dựa trên 5 thông số ($E, \nu, c, \varphi, \psi$). Mô hình này gán độ cứng cố định, không phản ánh sự phụ thuộc ứng suất của mô đun biến dạng.
  • Mô hình Hyperbol (Duncan – Chang): Mô hình phi tuyến mô tả quan hệ ứng suất – biến dạng dạng hyperbol nhưng chưa xét đầy đủ trạng thái dẻo dỡ tải.
  • Mô hình Cam-Clay cải tiến (MCC): Mô hình đàn dẻo thể tích dựa trên mặt dẻo elip trong không gian $(p-q)$, thích hợp cho đất sét dẻo cố kết thường.
  • Mô hình Hardening Soil (HS): Mô hình đàn dẻo phi tuyến có xét đến cả hiện tượng tái bền cắt (shear hardening) và tái bền nén thể tích (compression hardening). Mô hình HS sử dụng ba mô đun độ cứng phụ thuộc mức ứng suất:
    1. $E_{50}$: Mô đun cát tuyến trong thí nghiệm nén ba trục thoát nước.
    2. $E_{ur}$: Mô đun biến dạng khi dỡ tải và gia tải lại.
    3. $E_{oed}$: Mô đun tiếp tuyến trong thí nghiệm nén cố kết một trục không nở hông.

Mối liên hệ giữa các mô đun với trạng thái ứng suất được xác định qua công thức hàm mũ với áp lực tham chiếu $p^{ref} = 100\text{ kPa}$:

$$E_{50} = E_{50}^{ref} \left( \frac{c' \cos\varphi' - \sigma'_3 \sin\varphi'}{c' \cos\varphi' + p^{ref} \sin\varphi'} \right)^m$$

$$E_{ur} = E_{ur}^{ref} \left( \frac{c' \cos\varphi' - \sigma'_3 \sin\varphi'}{c' \cos\varphi' + p^{ref} \sin\varphi'} \right)^m$$

$$E_{oed} = E_{oed}^{ref} \left( \frac{c' \cos\varphi' - \sigma'_1 \sin\varphi'}{c' \cos\varphi' + p^{ref} \sin\varphi'} \right)^m$$

Phương pháp nghiên cứu và nguồn tư liệu thực nghiệm

Luận án kết hợp đồng bộ ba phương pháp nghiên cứu:

  1. Phương pháp thống kê, kế thừa: Thu thập số liệu địa chất công trình, hồ sơ thiết kế, biện pháp thi công và kết quả quan trắc chuyển vị thực tế tại các dự án hố đào sâu ở TP. HCM.
  2. Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm:
    • Lấy mẫu đất nguyên dạng tại hiện trường các tầng bùn sét và sét yếu dọc sông Sài Gòn.
    • Thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước (CD) và không thoát nước (CU) trên hệ thống thiết bị ba trục Humboldt, kết hợp bộ ghi đo tự động và phần mềm Advantech Adamview. Kiểm tra hệ số bão hòa Skempton $B \ge 0,95$.
    • Thực hiện các sơ đồ lộ trình ứng suất:
      • Lộ trình nén ba trục thông thường (CTC): Giữ nguyên áp lực buồng $\sigma_3$, tăng dần ứng suất dọc trục $\sigma_1$.
      • Lộ trình nén ba trục giảm ứng suất ngang (RTC): Giữ nguyên ứng suất dọc trục $\sigma_1$, giảm dần áp lực buồng $\sigma_3$.
      • Lộ trình kéo ba trục giảm ứng suất đứng (RTE): Giữ nguyên áp lực buồng $\sigma_3$, giảm dần ứng suất dọc trục $\sigma_1$.
    • Thí nghiệm nén ba trục CD có dỡ tải – gia tải lại và thí nghiệm nén cố kết Oedometer có chu kỳ dỡ tải để xác định các mô đun $E_{50}^{ref}, E_{ur}^{ref}, E_{oed}^{ref}$ và tham số mũ $m$.
  3. Phương pháp mô phỏng số (FEM): Sử dụng phần mềm địa kỹ thuật chuyên dụng PLAXIS để mô phỏng tuần tự các giai đoạn thi công đào đất, lắp đặt thanh chống và hạ mực nước ngầm, so sánh kết quả tính toán giữa các mô hình MC, HS và mô hình HS hiệu chỉnh (HSM) với dữ liệu quan trắc chuyển vị ngang tường (Inclinometer) và lún mặt đất.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1 - Tổng quan về hố đào sâu theo hướng nghiên cứu của đề tài

Chương 1 trình bày tổng quan về phân loại kết cấu chắn giữ hố đào sâu (tường consol, tường có hệ thanh chống/neo, thi công Bottom-up và Top-down) cùng các sự cố thường gặp (mất ổn định vách hố, trồi bùng đáy hố, lún bề mặt lân cận).

Chương này phân tích chi tiết đặc điểm địa chất trầm tích Đệ Tứ vùng châu thổ sông Sài Gòn tại TP. HCM với cấu tạo 6 lớp đất tự nhiên. Trong đó, hai lớp trên cùng có ảnh hưởng chi phối trực tiếp đến hố đào sâu:

  • Lớp 1 và Lớp 2: Bùn sét và sét yếu bão hòa nước, bề dày từ 10 m đến 30 m (cá biệt tại Nhà Bè, Cần Giờ dày 30 – 50 m).
Chỉ tiêu cơ lý đặc trưng Giá trị ghi nhận
Độ ẩm tự nhiên ($W_n$) $75% - 104%$
Hệ số rỗng ($e$) $1,5 - 2,5$
Giới hạn chảy ($W_L$) $> 60%$
Sức kháng cắt không thoát nước ($S_u$) $< 50\text{ kPa}$
Chỉ số xuyên tiêu chuẩn ($N_{30}$) $< 4\text{ búa}$
Lực dính hữu hiệu ($c'$) $< 15\text{ kPa}$
Dung trọng tự nhiên ($\gamma_n$) $14 - 16\text{ kN/m}^3$
Hệ số nén lún ($a_{1-2}$) $> 5\text{ m}^2/\text{kN}$
Mô đun biến dạng tổng quát ($E$) $< 6000\text{ kPa}$
Hệ số quá cố kết ($OCR$) độ sâu $0 - 6\text{ m}$ $2,0 - 4,0$ (quá cố kết nặng)
Hệ số quá cố kết ($OCR$) độ sâu $6 - 12\text{ m}$ $1,2 - 2,0$ (quá cố kết nhẹ, TB $1,5$)
Hệ số quá cố kết ($OCR$) độ sâu $12 - 22\text{ m}$ Cố kết bình thường

Từ phân tích ứng suất 4 vùng quanh hố đào theo Wong (2009), chương 1 khẳng định sự cần thiết phải nghiên cứu các lộ trình dỡ tải AC (sau lưng tường) và AMF (dưới đáy hố) để khắc phục sai số của các phương pháp tính toán truyền thống.

Chương 2 - Cơ sở lý thuyết và các đặc trưng cơ lý trong tính toán hố đào sâu

Chương 2 tổng kết khung lý thuyết áp lực đất Rankine, Coulomb và các phương pháp mô hình hóa kết cấu chắn giữ:

  • Phương pháp giải tích (áp lực đất giới hạn tĩnh).
  • Phương pháp dầm trên nền đàn hồi (mô hình Winkler).
  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) với môi trường liên tục phi tuyến.

Chương này đi sâu vào cấu trúc toán học của các mô hình đất nền:

  • Phân tích mặt phá hoại Mohr – Coulomb dạng lăng trụ lục giác trong không gian ứng suất chính.
  • Phân tích cơ chế biến dạng cứng hóa nén thể tích và cứng hóa cắt của mô hình Hardening Soil.
  • Định nghĩa chi tiết các thông số đầu vào của mô hình HS: $E_{50}^{ref}, E_{ur}^{ref}, E_{oed}^{ref}$, tham số mũ $m$, lực dính $c'$, góc ma sát $\varphi'$, góc giãn nở $\psi$, hệ số Poisson dỡ tải $\nu_{ur}$, hệ số áp lực tĩnh $K_0^{NC}$, và hệ số phá hoại $R_f$.
  • Phân biệt bản chất của các lộ trình ứng suất trong thí nghiệm ba trục: CTC, RTC, RTE, CTE, TC, TE.

Chương 3 - Thí nghiệm ba trục theo các lộ trình ứng suất dỡ tải mô phỏng trạng thái ứng suất biến dạng của đất xung quanh hố đào sâu

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình thực nghiệm trong phòng trên các mẫu đất sét yếu nguyên dạng được lấy tại TP. HCM bằng hệ thống thiết bị ba trục Humboldt điều khiển tự động:

  • Thí nghiệm lộ trình RTC: Giữ nguyên áp lực nén dọc trục $\sigma_1$, giảm áp lực buồng $\sigma_3$ nhằm mô phỏng trạng thái dỡ tải ngang của đất sau lưng tường vây.
  • Thí nghiệm lộ trình RTE: Giữ nguyên áp lực buồng $\sigma_3$, giảm áp lực dọc trục $\sigma_1$ nhằm mô phỏng trạng thái dỡ tải đứng của đất dưới đáy hố đào.
  • Thí nghiệm lộ trình đối chứng CTC: Giữ nguyên $\sigma_3$, tăng dần $\sigma_1$.

Kết quả thực nghiệm cho thấy:

  1. Đường quan hệ ứng suất lệch – biến dạng dọc trục $(q - \varepsilon_1)$ và áp lực nước lỗ rỗng $(u - \varepsilon_1)$ có sự khác biệt rõ rệt giữa các lộ trình. Ở các lộ trình dỡ tải (RTC, RTE), biến dạng phá hoại xuất hiện ở mức biến dạng dọc trục nhỏ hơn so với lộ trình nén thông thường CTC.
  2. Sức kháng cắt của đất có sự suy giảm đáng kể theo các lộ trình dỡ tải. Giá trị góc ma sát hiệu quả $\varphi'$ và lực dính hiệu quả $c'$ xác định từ lộ trình RTC và RTE thấp hơn so với thí nghiệm CTC thông thường.
  3. Mô đun biến dạng cát tuyến $E_{50}$ biến đổi mạnh theo lộ trình ứng suất. Tác giả đã xây dựng các phương trình hồi quy tương quan chuyển đổi giữa $E_{50, RTE}, E_{50, RTC}$ với $E_{50, CTC}$, làm cơ sở điều chỉnh thông số đầu vào cho các tính toán thiết kế.

Chương 4 - Nghiên cứu sự phụ thuộc trạng thái ứng suất của mô đun biến dạng trong mô hình Hardening Soil trên đất yếu TP. HCM

Chương 4 tập trung xác lập bộ tham số cơ bản cho mô hình Hardening Soil trên nền đất sét yếu TP. HCM thông qua chuỗi thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (CD) có chu kỳ dỡ tải – tái gia tải (Loading – Unloading – Reloading) và thí nghiệm nén cố kết Oedometer:

  • Xác định mô đun cát tuyến $E_{50}^{ref}$ và mô đun dỡ tải $E_{ur}^{ref}$ tại mức áp lực tham chiếu $p^{ref} = 100\text{ kPa}$ trên 12 nhóm mẫu thí nghiệm.
  • Xác định mô đun cố kết một trục tham chiếu $E_{oed}^{ref}$ từ biểu đồ quan hệ logarit áp lực – biến dạng $(\log p - \varepsilon)$.
  • Xác lập tham số mũ $m$ mô tả quy luật biến thiên của mô đun theo mức ứng suất hữu hiệu cho đất yếu TP. HCM: giá trị $m$ được đề xuất trong khoảng từ $0,8$ đến $1,0$ (khác biệt so với giá trị mặc định $m = 0,5$ cho cát hoặc sét cứng của một số phần mềm thương mại).
  • Xác lập các tỷ số tương quan độ cứng đặc thù cho bùn sét và sét yếu TP. HCM:
    • Tỷ số dỡ tải/cát tuyến: $E_{ur} / E_{50} \approx 3,0 - 5,0$.
    • Tỷ số cố kết/cát tuyến: $E_{oed} / E_{50} \approx 0,8 - 1,1$.

Chương 5 - Áp dụng kết quả nghiên cứu để tính toán công trình thực tế

Chương 5 ứng dụng bộ thông số và mô hình Hardening Soil hiệu chỉnh (mô hình HSM) vào mô phỏng số phần tử hữu hạn bằng PLAXIS cho 3 công trình hố đào sâu thực tế quy mô lớn tại TP. HCM:

  1. Dự án Khu phức hợp – TTTM – Văn phòng – Căn hộ Sài Gòn Pearl (Opal Saigon Pearl):

    • Địa tầng bùn sét yếu dày, chiều sâu hố đào đến $-15\text{ m}$, sử dụng hệ tường vây bê tông cốt thép liên tục kết hợp hệ thanh chống giằng tại cao độ $-12\text{ m}$.
    • Mô phỏng tuần tự 6 giai đoạn thi công đào và chống đỡ.
    • So sánh chuyển vị ngang lớn nhất của tường ($U_{x,max}$) và độ lún bề mặt nền ($U_y$) giữa các mô hình: Mô hình MC cho giá trị chuyển vị ngang $U_{x,max}$ và lún bề mặt sai lệch lớn so với thực tế; mô hình HSM với bộ thông số dỡ tải cho kết quả đường cong chuyển vị $U_{x,max} = 57\text{ mm}$ và phân bố lún bề mặt trùng khớp với dữ liệu quan trắc Inclinometer tại hiện trường.

  2. Dự án Trạm bơm Lưu vực Nhiêu Lộc - Thị Nghè:

    • Hố đào sâu trong khu vực bùn sét dày, sử dụng hệ tường vây liên tục, hệ thanh chống thép/bê tông có kích điều chỉnh chuyển vị.
    • Mô phỏng 8 giai đoạn thi công đào đất phức tạp. Kết quả phân tích chuyển vị ngang tường và lún đáy hố khẳng định mô hình HSM dự báo chính xác độ võng tường chắn và độ biến dạng đáy hố so với số liệu đo đạc thực tế.

  3. Dự án Pearl Plaza:

    • Kết cấu tường vây barette kết hợp hệ giằng chống tầng hầm thi công 5 giai đoạn đào.
    • Kết quả mô phỏng bằng PLAXIS với mô hình HSM phản ánh sát thực diễn biến chuyển vị ngang của tường chắn qua từng giai đoạn hạ độ sâu hố đào.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt lý luận và khoa học

  1. Làm sáng tỏ quy luật thay đổi các đặc trưng cơ lý của bùn sét và sét yếu TP. HCM dưới tác động của các lộ trình ứng suất dỡ tải (RTC, RTE) so với lộ trình gia tải thông thường (CTC). Luận án chứng minh có sự suy giảm sức kháng cắt ($c', \varphi'$) trong khi mô đun biến dạng dỡ tải – tái gia tải ($E_{ur}$) tăng cao so với mô đun biến dạng ban đầu.
  2. Thiết lập hệ thống công thức và phương trình hồi quy tương quan chuyển đổi các chỉ tiêu cơ lý thu được từ thí nghiệm nén ba trục thông thường sang chỉ tiêu cơ lý theo lộ trình ứng suất dỡ tải.
  3. Xác định chính xác tham số mũ $m$ thể hiện sự phụ thuộc vào trạng thái ứng suất của mô đun biến dạng trong mô hình Hardening Soil đối với đất sét yếu TP. HCM, bổ sung luận cứ khoa học cho việc lựa chọn tham số trong cơ học đất khu vực.
+-------------------------------------------------------------------------------+
|                    BỘ THÔNG SỐ HIỆU CHỈNH MÔ HÌNH HSM                         |
|                                                                               |
|  [Thí nghiệm dỡ tải RTC/RTE]  --->  Hiệu chỉnh sức kháng cắt: c', phi'       |
|  [Thí nghiệm nén CD + Oedometer] -> Hiệu chỉnh độ cứng: E50, Eur, Eoed        |
|  [Hồi quy hàm mũ ứng suất]    --->  Xác lập tham số mũ: m = 0,8 - 1,0         |
|                                                                               |
|       ===> MÔ HÌNH HARDENING SOIL HIỆU CHỈNH (HSM) TRONG PLAXIS               |
|            - Dự báo chính xác chuyển vị ngang tường chắn Ux                   |
|            - Phản ánh đúng độ lún mặt đất xung quanh Uy                      |
+-------------------------------------------------------------------------------+

Những đóng góp mới về mặt thực tiễn và ứng dụng

  1. Đề xuất quy trình thí nghiệm ba trục theo lộ trình dỡ tải và phương pháp xác định bộ thông số ($E_{50}^{ref}, E_{ur}^{ref}, E_{oed}^{ref}, m, E_{ur}/E_{50}, E_{oed}/E_{50}$) phục vụ thiết kế hố đào sâu trên nền đất yếu TP. HCM bằng mô hình Hardening Soil hiệu chỉnh (HSM).
  2. Kiểm chứng thành công độ tin cậy của bộ thông số đề xuất qua việc mô phỏng 3 công trình thực tế (Sài Gòn Pearl, Trạm bơm Nhiêu Lộc – Thị Nghè, Pearl Plaza), giúp kỹ sư thiết kế khống chế chuyển vị ngang của tường vây và độ lún nền, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho công trình lân cận.

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Trong công tác khảo sát địa kỹ thuật phục vụ thiết kế hố đào sâu trên nền đất yếu TP. HCM, cần bổ sung các thí nghiệm ba trục theo lộ trình ứng suất dỡ tải (RTC, RTE) hoặc thí nghiệm ba trục CD có dỡ tải – tái gia tải để xác định chính xác mô đun $E_{ur}$ và tham số $m$.
  • Khi sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) tính toán hố đào sâu, nên thay thế mô hình Mohr – Coulomb bằng mô hình Hardening Soil với bộ thông số hiệu chỉnh theo các hệ số tương quan được luận án đề xuất, tránh sử dụng thông số mặc định của phần mềm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế: Luận án tập trung khảo sát thực nghiệm trên hai lớp đất chính là bùn sét và sét yếu phân bố ở độ sâu từ 0 đến 30 m tại khu vực TP. HCM. Các phân tích mô phỏng phần tử hữu hạn chủ yếu thực hiện trong bài toán biến dạng phẳng 2D.
  • Hướng nghiên cứu tiếp:
    1. Mở rộng nghiên cứu thực nghiệm lộ trình dỡ tải cho các tầng đất cát pha sét, cát mịn và sét quá cố kết ở các tầng sâu hơn ($>30\text{ m}$).
    2. Xem xét các yếu tố biến dạng dẻo phụ thuộc thời gian (tính từ biến, mô hình Soft Soil Creep) đối với các hố đào sâu duy trì thời gian thi công kéo dài.
    3. Mở rộng mô phỏng không gian 3 chiều (3D FEM) có xét đến ảnh hưởng của hình dáng góc hố đào và dao động mực nước ngầm theo mùa.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu chuyên khảo có giá trị học thuật và ứng dụng thực tiễn cao cho nhiều đối tượng trong lĩnh vực Địa kỹ thuật và Xây dựng công trình ngầm:

  • Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên: Cung cấp cơ sở lý thuyết sâu sắc về cơ chế biến dạng theo lộ trình ứng suất, phương pháp thiết lập thí nghiệm ba trục dỡ tải (Chương 3), và cách xác định các tham số đàn dẻo phi tuyến cho mô hình Hardening Soil (Chương 4).
  • Kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật và chuyên gia mô phỏng số: Cung cấp bộ tham số thực nghiệm tin cậy, các hệ số tương quan ($E_{ur}/E_{50}, E_{oed}/E_{50}, m$) đặc thù cho địa tầng đất yếu TP. HCM, giúp nâng cao độ chính xác khi sử dụng các phần mềm FEM như PLAXIS (Chương 4 và Chương 5).
  • Ban quản lý dự án, tư vấn giám sát và cơ quan quản lý đô thị: Cung cấp luận cứ khoa học để đánh giá phương án thiết kế tường chắn, lập kế hoạch quan trắc chuyển vị và phòng ngừa rủi ro lún sụt hạ tầng lân cận khi thi công hố đào sâu trong đô thị.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao mô hình Mohr – Coulomb truyền thống lại không phản ánh chính xác biến dạng hố đào sâu trên nền đất yếu TP. HCM?

Mô hình Mohr – Coulomb là mô hình đàn dẻo lý tưởng với mô đun đàn hồi $E$ không đổi, không xét đến tính phi tuyến của đất trước khi phá hoại và không mô tả được sự phụ thuộc của mô đun biến dạng vào mức ứng suất hiệu dụng. Đặc biệt, mô hình MC không phân biệt được độ cứng khi gia tải và dỡ tải, dẫn đến việc đánh giá sai lệch chuyển vị ngang tường vây và dự báo độ lún bề mặt xung quanh hố đào không khớp với quan trắc thực tế.

2. Các lộ trình ứng suất chính diễn ra quanh hố đào sâu trong quá trình thi công là gì?

Quá trình thi công hố đào tạo ra hai lộ trình ứng suất dỡ tải đặc thù:

  • Vùng sau lưng tường chắn (Vùng I): Đất bị dỡ tải ngang do tường dịch chuyển vào trong hố đào, ứng suất ngang $\sigma_3$ giảm dần trong khi ứng suất đứng $\sigma_1$ không đổi (mô phỏng bằng lộ trình RTC).
  • Vùng dưới đáy hố đào (Vùng II): Đất bị dỡ tải đứng do khối lượng đất đào được lấy đi, ứng suất đứng $\sigma_1$ giảm mạnh trong khi ứng suất ngang $\sigma_3$ thay đổi không đáng kể (mô phỏng bằng lộ trình RTE).

3. Sức kháng cắt và mô đun biến dạng của đất yếu TP. HCM thay đổi như thế nào khi chịu dỡ tải?

Kết quả thí nghiệm ba trục trong luận án chứng minh:

  • Sức kháng cắt hữu hiệu ($c', \varphi'$) của đất yếu bị suy giảm khi chịu dỡ tải (theo lộ trình RTC và RTE) so với thí nghiệm nén ba trục thông thường (CTC).
  • Mô đun biến dạng trong quá trình dỡ tải và gia tải lại ($E_{ur}$) tăng cao gấp 3 đến 5 lần so với mô đun cát tuyến ban đầu ($E_{50}$), phản ánh tính đàn hồi phục hồi lớn của đất nền khi được giải phóng ứng suất.

4. Tham số mũ $m$ trong mô hình Hardening Soil có ý nghĩa gì và được xác định bằng bao nhiêu cho đất yếu TP. HCM?

Tham số mũ $m$ thể hiện mức độ phụ thuộc của mô đun biến dạng ($E_{50}, E_{ur}, E_{oed}$) vào trạng thái ứng suất hữu hiệu của đất theo quy luật hàm mũ. Đối với lớp bùn sét và sét yếu tại TP. HCM, kết quả nghiên cứu thực nghiệm của luận án xác định giá trị $m$ nằm trong khoảng $0,8 - 1,0$, khác biệt so với giá trị mặc định $0,5$ thường dùng cho đất cát hoặc đất sét cứng.

5. Kết quả kiểm chứng trên các công trình thực tế (Sài Gòn Pearl, Trạm bơm Nhiêu Lộc – Thị Nghè, Pearl Plaza) cho thấy điều gì?

Khi áp dụng mô hình Hardening Soil hiệu chỉnh (HSM) với bộ thông số xác định theo lộ trình dỡ tải ($c', \varphi', E_{50}^{ref}, E_{ur}^{ref}, E_{oed}^{ref}, m$), đường cong chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây ($U_{x,max}$) và độ lún bề mặt nền qua các giai đoạn thi công có sự trùng khớp cao với dữ liệu quan trắc Inclinometer và mốc đo lún tại hiện trường, vượt trội hoàn toàn so với mô hình Mohr – Coulomb và mô hình HS dùng thông số mặc định.

Kết luận

Luận án của tác giả Ngô Đức Trung đã giải quyết trọn vẹn vấn đề xác định đặc trưng cơ lý của đất yếu TP. HCM theo các lộ trình ứng suất dỡ tải mô phỏng sát thực quá trình thi công hố đào sâu. Bằng việc kết hợp thực nghiệm ba trục chuyên sâu và phân tích số phần tử hữu hạn, công trình đã xây dựng thành công bộ tham số độ cứng và số mũ $m$ cho mô hình Hardening Soil hiệu chỉnh (HSM). Kết quả nghiên cứu được kiểm chứng qua các công trình thực tế quy mô lớn, cung cấp cơ sở khoa học và giải pháp thực tiễn quan trọng cho công tác khảo sát, thiết kế và thi công an toàn các công trình ngầm trong khu vực đất yếu đô thị.