Nghiên Cứu Điều Kiện Địa Kỹ Thuật Phục Vụ Thiết Kế Và Thi Công Hố Đào Sâu

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng, việc khai thác không gian ngầm ngày càng trở nên quan trọng. 233 trang · Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội · 2015.

• Tác giả: Nguyễn Trường Huy
• Người hướng dẫn: TS. Trịnh Việt Cường
• Trường học: Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình ngầm
• Đề tài: Nghiên Cứu Điều Kiện Địa Kỹ Thuật Cho Thiết Kế Hố Đào Sâu
• Loại tài liệu: luận án tiến sĩ
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Hà Nội

Mục lục chi tiết

• LỜI CAM ĐOAN
• LỜI CẢM ƠN
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐIỀU KIỆN ĐỊA KỸ THUẬT HỐ ĐÀO SÂU
• 1.1. THỰC TRẠNG NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỊA KỸ THUẬT PHỤC VỤ THIẾT KẾ HỐ ĐÀO SÂU
• 1.1.1. Đặc điểm và phạm vi nghiên cứu về hố đào sâu
• 1.1.2. Các hiện tượng địa kỹ thuật xảy ra khi thi công hố đào sâu
• 1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến dịch chuyển của đất nền xung quanh hố đào sâu
• 1.1.4. Trạng thái ứng suất của đất nền
• 1.1.5. Tính toán, thiết kế thi công hố đào sâu
• 1.1.6. Đánh giá ưu điểm, nhược điểm của một số mô hình đất nền
• 1.2. CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN KHẢO SÁT CUNG CẤP SỐ LIỆU ĐỊA KỸ THUẬT PHỤC VỤ THIẾT KẾ THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU
• 1.2.1. Các phương pháp thí nghiệm địa kỹ thuật
• 1.2.2. Các thông số đặc trưng đất nền trong bài toán hố đào sâu
• 1.3. KẾT LUẬN CHƯƠNG 1
• 2. CHƯƠNG 2: THÍ NGHIỆM XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐẶC TRƯNG CỦA ĐẤT NỀN TRÊN MÁY BA TRỤC GIẢM ỨNG SUẤT NGANG
• 2.1. CÁC PHƯƠNG PHÁP THÍ NGHIỆM HIỆN NAY XÁC ĐỊNH THÔNG SỐ ĐẦU VÀO ĐỂ THIẾT KẾ THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU
• 2.2. Thông số địa kỹ thuật để thiết kế thi công hố đào sâu
• 2.3. Thí nghiệm nén ba trục
• 2.3.1. MÔ HÌNH THÍ NGHIỆM BA TRỤC GIẢM ỨNG SUẤT NGANG
• 2.3.2. Nội dung phương pháp thí nghiệm
• 2.3.3. Thiết bị, dụng cụ thí nghiệm
• 2.3.4. Quy trình thí nghiệm
• 2.3.5. Tính toán, báo cáo kết quả thí nghiệm
• 2.3.6. Xử lý số liệu thí nghiệm
• 2.3.7. Kết quả thí nghiệm
• 2.4. NHẬN XÉT CHƯƠNG 2
• 3. CHƯƠNG 3: MÔ HÌNH LADE CẢI TIẾN CHO BÀI TOÁN HỐ ĐÀO SÂU
• 3.1. ỨNG XỬ CỦA ĐẤT NỀN
• 3.2. MÔ HÌNH ĐẤT NỀN LADE
• 3.2.1. Giới thiệu mô hình Lade
• 3.2.2. Lý do lựa chọn mô hình Lade
• 3.2.3. Mô hình Lade
• 3.3. MÔ HÌNH ĐẤT NỀN LADE CẢI TIẾN
• 3.3.1. Cơ sở để xây dựng mô hình Lade cải tiến
• 3.3.2. Đặc trưng đàn hồi
• 3.3.3. Mặt phá hoại
• 3.3.4. Mặt thế năng biến dạng dẻo
• 3.3.5. Mặt chảy dẻo
• 3.3.6. Xác định các đặc trưng của mô hình Lade cải tiến
• 3.3.7. Đánh giá độ tin cậy của mô hình Lade cải tiến
• 3.4. PHẦN MỀM TÍNH TOÁN THEO MÔ HÌNH ĐẤT NỀN LỰA CHỌN
• 4. CHƯƠNG 4: ÁP DỤNG TÍNH TOÁN HỐ ĐÀO SÂU THEO MÔ HÌNH LADE CẢI TIẾN
• 4.1. NỘI DUNG TÍNH TOÁN
• 4.2. MÔ HÌNH HÓA HỐ ĐÀO SÂU
• 4.2.1. Công trình Bệnh viện 108
• 4.2.2. Công trình Hoabinh Green City Minh Khai
• 4.2.3. Công trình đập thủy điện số 2
• 4.3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• 4.4. CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC TÁC GIẢ ĐÃ CÔNG BỐ
• DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO
• PHỤ LỤC B: PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN
• PHỤ LỤC C: MÃ NGUỒN PHẦN MỀM LADEDEEP

Tóm tắt

I. Tổng Quan Về Nghiên Cứu Địa Kỹ Thuật Hố Đào Sâu Hiện Nay

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng, việc khai thác không gian ngầm ngày càng trở nên quan trọng. Các công trình ngầm như tầng hầm, đường hầm, nhà ga metro xuất hiện ngày càng nhiều, đòi hỏi kỹ thuật thi công hố đào sâu (HĐS) tiên tiến. Tuy nhiên, thực tế cho thấy nhiều công trình HĐS gặp sự cố, gây thiệt hại lớn về vật chất và uy tín. Các nguyên nhân chủ yếu xuất phát từ công tác khảo sát địa kỹ thuật chưa đầy đủ, mô hình hóa điều kiện làm việc thực tế của đất nền chưa chính xác. Luận án này tập trung nghiên cứu và đề xuất các giải pháp để nâng cao độ tin cậy và chính xác của công tác thiết kế và thi công hố đào sâu.

1.1. Tầm Quan Trọng của Địa Kỹ Thuật Hố Đào Sâu

Việc hiểu rõ địa kỹ thuật hố đào sâu là yếu tố then chốt để đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công. Các thông số địa chất công trình chính xác giúp dự báo chính xác chuyển vị của tường vây, lún bề mặt đất, từ đó có biện pháp phòng ngừa kịp thời. Việc thiếu sót trong khảo sát địa kỹ thuật có thể dẫn đến các sự cố nghiêm trọng, ảnh hưởng đến các công trình lân cận và gây nguy hiểm cho người lao động.

1.2. Thực Trạng Các Sự Cố Liên Quan Đến Hố Đào Sâu

Nhiều sự cố hố đào sâu xảy ra do dự báo thiết kế sai lệch so với thực tế quan trắc, thường là đánh giá thấp mức độ chuyển vị và lún. Các công trình như Pacific Place, Saigon Residences là những ví dụ điển hình cho thấy hậu quả nghiêm trọng của việc thiếu sót trong khảo sát địa kỹ thuật và mô hình hóa điều kiện làm việc của đất nền.

II. Thách Thức Về Điều Kiện Địa Chất Trong Thiết Kế Hố Đào Sâu

Thiết kế hố đào sâu phải đối mặt với nhiều thách thức liên quan đến điều kiện địa chất phức tạp. Việc xác định chính xác các thông số cơ học đất, đặc biệt là sức chịu tải của đất, biến dạng đất, và áp lực nước ngầm là vô cùng quan trọng. Ngoài ra, sự thay đổi địa hình, địa mạo cũng ảnh hưởng lớn đến độ ổn định của hố đào. Do đó, cần có các phương pháp khảo sát và thí nghiệm hiện đại để thu thập dữ liệu địa kỹ thuật chính xác.

2.1. Ảnh Hưởng Của Địa Chất Công Trình Đến Ổn Định Hố Đào

Tính chất địa chất công trình có ảnh hưởng trực tiếp đến độ ổn định của hố đào sâu. Các yếu tố như thành phần, cấu trúc đất, mức độ phong hóa, khe nứt đều tác động đến khả năng chịu lực và biến dạng của đất nền. Việc đánh giá đúng các đặc điểm này giúp lựa chọn giải pháp thi công và kết cấu chống đỡ phù hợp.

2.2. Khó Khăn Trong Khảo Sát Địa Kỹ Thuật Hố Đào Sâu

Công tác khảo sát địa kỹ thuật hố đào sâu gặp nhiều khó khăn do điều kiện thi công chật hẹp, phức tạp. Các phương pháp khoan thăm dò, lấy mẫu, thí nghiệm tại hiện trường đòi hỏi kỹ thuật cao và thiết bị chuyên dụng. Bên cạnh đó, việc giải thích và phân tích kết quả thí nghiệm cần có kinh nghiệm và kiến thức chuyên sâu để đảm bảo độ tin cậy.

2.3. Sự Cần Thiết Của Báo Cáo Địa Kỹ Thuật Chi Tiết

Một báo cáo địa kỹ thuật chi tiết và đầy đủ là cơ sở quan trọng cho việc thiết kế và thi công hố đào sâu. Báo cáo cần cung cấp đầy đủ các thông tin về địa chất công trình, các thông số cơ lý của đất, mực nước ngầm, và các khuyến nghị về giải pháp thi công an toàn và hiệu quả.

III. Phương Pháp Xác Định Thông Số Địa Kỹ Thuật Cho Hố Đào Sâu

Để thiết kế và thi công hố đào sâu an toàn, việc xác định chính xác các thông số địa kỹ thuật là vô cùng quan trọng. Các phương pháp thí nghiệm cơ học đất truyền thống như nén ba trục, nén cố kết, cắt phẳng thường được sử dụng. Tuy nhiên, cần có các phương pháp thí nghiệm tiên tiến hơn để mô phỏng sát hơn điều kiện ứng suất trong hố đào, ví dụ như thí nghiệm ba trục giảm ứng suất ngang.

3.1. Thí Nghiệm Nén Ba Trục Ưu Điểm và Hạn Chế

Thí nghiệm nén ba trục là phương pháp phổ biến để xác định các thông số cường độ và biến dạng của đất. Tuy nhiên, phương pháp này có một số hạn chế, đặc biệt là không mô phỏng được sự thay đổi ứng suất trong quá trình đào hố. Theo tài liệu nghiên cứu, cần cải tiến thí nghiệm để đạt độ chính xác cao nhất.

3.2. Thí Nghiệm Ba Trục Giảm Ứng Suất Ngang Giải Pháp Mới

Thí nghiệm ba trục giảm ứng suất ngang là một giải pháp mới, cho phép mô phỏng quá trình giảm ứng suất ngang khi đào hố. Phương pháp này giúp xác định các thông số địa kỹ thuật chính xác hơn, phục vụ cho việc thiết kế kết cấu chống đỡ hố đào sâu hiệu quả hơn.

3.3. Ứng Dụng Phần Mềm Thiết Kế Hố Đào Sâu Chuyên Dụng

Việc sử dụng các phần mềm thiết kế hố đào sâu chuyên dụng giúp đơn giản hóa quá trình tính toán và phân tích. Các phần mềm này cho phép mô phỏng các giai đoạn thi công, đánh giá độ ổn định của hố đào, và tối ưu hóa thiết kế kết cấu chống đỡ.

IV. Mô Hình Hóa Ứng Xử Đất Nền Phương Pháp Lade Cải Tiến

Việc lựa chọn mô hình đất nền phù hợp là yếu tố then chốt để dự báo chính xác ứng xử của đất trong quá trình thi công hố đào sâu. Mô hình Mohr-Coulomb đơn giản nhưng có nhiều hạn chế trong việc mô tả ứng xử phi tuyến của đất. Mô hình Lade cải tiến là một lựa chọn ưu việt, cho phép mô phỏng chính xác hơn các đặc tính cơ học của đất và ảnh hưởng của lịch sử ứng suất.

4.1. Ưu Điểm Của Mô Hình Đất Nền Lade Cải Tiến

Mô hình Lade cải tiến có khả năng mô phỏng chính xác hơn ứng xử phi tuyến, phụ thuộc ứng suất, và ảnh hưởng của lịch sử ứng suất của đất. Mô hình này đặc biệt phù hợp với bài toán hố đào sâu, nơi đất nền chịu tác động của quá trình đào và giảm ứng suất.

4.2. Xây Dựng Mô Hình Tính Toán Bằng Phương Pháp Phần Tử Hữu Hạn

Việc xây dựng mô hình tính toán hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) cho phép mô phỏng chính xác các giai đoạn thi công, sự tương tác giữa đất và kết cấu chống đỡ, và đánh giá độ ổn định của hố đào. PTHH là công cụ mạnh mẽ để giải quyết các bài toán địa kỹ thuật phức tạp.

4.3. Kiểm Chứng Độ Tin Cậy Của Mô Hình Bằng Số Liệu Thực Tế

Để đảm bảo độ tin cậy của mô hình tính toán, cần so sánh kết quả dự báo với số liệu quan trắc thực tế từ các công trình hố đào sâu. Việc hiệu chỉnh và tinh chỉnh mô hình dựa trên số liệu thực tế giúp nâng cao độ chính xác của dự báo.

V. Ứng Dụng Mô Hình Lade Cải Tiến Vào Thiết Kế Hố Đào Sâu

Mô hình Lade cải tiến đã được ứng dụng thành công trong phân tích và thiết kế nhiều công trình hố đào sâu thực tế. Các ví dụ điển hình như công trình Bệnh viện 108, Hoabinh Green City Minh Khai cho thấy khả năng dự báo chính xác chuyển vị của tường vây và lún bề mặt đất của mô hình. Điều này giúp các kỹ sư đưa ra các giải pháp thiết kế an toàn và hiệu quả.

5.1. Phân Tích Ứng Xử Tường Vây Bằng Mô Hình Lade Cải Tiến

Mô hình Lade cải tiến cho phép phân tích chi tiết ứng xử của tường vây trong quá trình thi công hố đào sâu. Các thông số như chuyển vị, ứng suất, lực cắt trong tường vây có thể được dự báo chính xác, giúp kiểm soát độ an toàn của kết cấu chống đỡ.

5.2. Dự Báo Lún Bề Mặt Đất Xung Quanh Hố Đào Sâu

Việc dự báo chính xác lún bề mặt đất xung quanh hố đào sâu là vô cùng quan trọng để bảo vệ các công trình lân cận. Mô hình Lade cải tiến cho phép đánh giá mức độ ảnh hưởng của thi công hố đào đến các công trình xung quanh và đưa ra các biện pháp phòng ngừa.

5.3. So Sánh Kết Quả Tính Toán Với Số Liệu Quan Trắc Thực Tế

Việc so sánh kết quả tính toán bằng mô hình Lade cải tiến với số liệu quan trắc thực tế từ các công trình giúp kiểm chứng độ tin cậy của mô hình và điều chỉnh các thông số cho phù hợp. Quá trình này giúp nâng cao độ chính xác của dự báo và đảm bảo an toàn cho công trình.

VI. Kết Luận Hướng Phát Triển Nghiên Cứu Địa Kỹ Thuật Hố Đào Sâu

Nghiên cứu về địa kỹ thuật hố đào sâu đóng vai trò quan trọng trong việc đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công các công trình ngầm. Việc ứng dụng các phương pháp thí nghiệm tiên tiến, mô hình hóa ứng xử đất nền chính xác, và sử dụng các phần mềm thiết kế hố đào sâu chuyên dụng là xu hướng tất yếu. Cần tiếp tục nghiên cứu và phát triển các giải pháp mới để đáp ứng yêu cầu ngày càng cao của ngành xây dựng.

6.1. Tóm Tắt Các Kết Quả Nghiên Cứu Quan Trọng

Luận án đã trình bày các kết quả nghiên cứu về phương pháp thí nghiệm ba trục giảm ứng suất ngang, mô hình Lade cải tiến, và ứng dụng của mô hình vào thiết kế hố đào sâu. Các kết quả này góp phần nâng cao độ tin cậy của công tác dự báo và thiết kế.

6.2. Đề Xuất Hướng Nghiên Cứu Tiếp Theo Về Hố Đào Sâu

Các hướng nghiên cứu tiếp theo có thể tập trung vào việc phát triển các mô hình đất nền phức tạp hơn, ứng dụng trí tuệ nhân tạo vào dự báo ứng xử đất nền, và nghiên cứu các giải pháp thi công hố đào sâu thân thiện với môi trường.

6.3. Tiêu Chuẩn Thiết Kế Hố Đào Sâu và Quy Trình Khảo Sát Địa Kỹ Thuật

Cần xây dựng và hoàn thiện các tiêu chuẩn thiết kế hố đào sâu và quy trình khảo sát địa kỹ thuật đồng bộ, đảm bảo tính khoa học và thực tiễn. Các tiêu chuẩn và quy trình này cần được cập nhật thường xuyên để đáp ứng yêu cầu của thực tế xây dựng.

Nội dung chính

Tổng quan luận án

Luận án tiến sĩ kỹ thuật chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm (mã số: 62.04) của nghiên cứu sinh Nguyễn Trường Huy, do TS. Trịnh Việt Cường và PGS. TS. Đoàn Thế Tường hướng dẫn tại Viện Khoa học Công nghệ Xây dựng (2015), tập trung giải quyết bài toán xác định điều kiện địa kỹ thuật phục vụ tính toán thiết kế và thi công hố đào sâu trong đô thị.

Về tính cấp thiết, nhu cầu khai thác không gian ngầm tại các đô thị lớn tại Việt Nam ngày càng gia tăng với nhiều công trình quy mô lớn như Pacific Place 83 Lý Thường Kiệt, Royal City, Trung tâm thương mại Chợ Mơ, Lotte Center Hanoi (5 tầng hầm), Tân Hoàng Minh D’.Palais de Louis (4 tầng hầm), cùng các tuyến đường sắt đô thị Nhổn - Ga Hà Nội và Bến Thành - Suối Tiên. Quá trình thi công hố đào sâu đã ghi nhận nhiều sự cố gây tổn thất vật chất nghiêm trọng, tiêu biểu là sự cố thi công tầng hầm Cao ốc Pacific trên đường Nguyễn Thị Minh Khai (2007) làm sập đổ tòa nhà Viện Khoa học Xã hội miền Nam, hay sự cố Cao ốc Saigon Residences (2007) làm nghiêng chung cư Cosaco 5 Nguyễn Siêu.

Số liệu quan trắc địa kỹ thuật tại Hà Nội, Thành phố Hồ Chí Minh và Đà Nẵng chỉ ra một sai số hệ thống: chuyển vị ngang và độ lún bề mặt dự báo theo thiết kế thường lớn hơn đáng kể so với kết quả đo đạc thực tế tại hiện trường. Khoảng trống nghiên cứu cốt lõi mà luận án chỉ ra là sự không tương thích giữa điều kiện làm việc thực tế của khối đất bên thành hố đào với các phương pháp khảo sát, thí nghiệm và mô hình hóa tính toán hiện hành. Cụ thể, các thí nghiệm nén ba trục thông thường gia tải tăng ứng suất đứng ($\sigma_1$) trong khi giữ nguyên áp lực buồng ($\sigma_3$), hoàn toàn trái ngược với bản chất dỡ tải cơ học sau lưng tường chắn (ứng suất đứng $\sigma_1$ hầu như không đổi trong khi ứng suất ngang $\sigma_3$ suy giảm liên tục).

Mục tiêu nghiên cứu của luận án được xác định gồm 3 nội dung:

1. Xây dựng phương pháp dự báo chuyển vị ngang của đất thành hố đào theo hướng mô hình hóa điều kiện làm việc thực tế của đất khi thi công đào hố;
2. Xây dựng chương trình dự báo ứng xử của đất nền đã đề xuất theo phương pháp phần tử hữu hạn;
3. Xây dựng quy trình thiết kế thi công hố đào sâu đồng bộ từ khâu khảo sát đến mô hình hóa tính toán.

Luận án đưa ra 2 luận điểm bảo vệ:

1. Thí nghiệm nén ba trục giảm ứng suất ngang mô phỏng đúng trạng thái ứng suất - biến dạng của khối đất bên thành hố đào và cho các kết quả khác với thí nghiệm nén ba trục truyền thống tăng ứng suất thẳng đứng; có thể cải tiến các thiết bị nén ba trục truyền thống hiện dùng phục vụ thí nghiệm giảm ứng suất ngang;
2. Sử dụng kết hợp mô hình đất nền Lade cải tiến và mô hình thí nghiệm địa kỹ thuật sử dụng máy ba trục giảm ứng suất ngang cho kết quả tương đối phù hợp với đo đạc thực tế.

Đối tượng nghiên cứu là các ứng xử cơ học của đất xung quanh hố đào khi thi công đào hố. Phạm vi nghiên cứu được xác định cụ thể:

• Phạm vi không gian: Môi trường địa chất lân cận thành hố đào trong phạm vi ảnh hưởng của tác động đào, quy ước đến khoảng cách bằng 4 lần chiều sâu hố đào ($4H$).
• Điều kiện biên và thời gian: Các hố đào thi công trong khu vực đô thị đông dân cư, mật độ xây dựng cao, vách thẳng đứng, thời gian thi công tương đối nhanh, mức độ ảnh hưởng đến áp lực nước lỗ rỗng và độ ẩm của đất dính không nhiều.
• Loại đất: Tập trung vào các loại đất dính có khả năng lấy mẫu nguyên dạng để thí nghiệm ba trục.
• Hướng ứng xử: Trọng tâm phân tích là chuyển vị ngang của đất từ thành vào trong lòng hố đào.

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Về phân loại hố đào, luận án điểm lại các tiêu chí lịch sử: Terzaghi (1943) phân định theo tỷ lệ hình học (hố nông có chiều sâu nhỏ hơn chiều rộng; hố sâu có chiều sâu lớn hơn chiều rộng); Terzaghi và Peck (1967), Peck và cộng sự (1977) đề xuất tiêu chí định lượng chiều sâu ranh giới là 6m. Trong cơ học đất hiện đại, các tác giả quan niệm với hố đào đô thị, mục tiêu khống chế ảnh hưởng tới công trình lân cận là trọng tâm, quy về khái niệm chung là thi công hố đào.

Về nghiên cứu địa kỹ thuật hố đào sâu, tác giả hệ thống hóa các công trình quốc tế tiêu biểu: Bjerrum và Eide (1956), Peck (1969), Mana (1978), Clough và Hansen (1981), Mana và Clough (1981), Hashash (1992), Bentler (1998), Ou và Shiau (1998), Ou (2006), Wong (2009). Ở trong nước, các nghiên cứu của Đỗ Đình Đức (2002), Chu Tuấn Hạ (2011) đã khảo sát đặc trưng địa kỹ thuật từng khu vực, quan hệ ứng suất - biến dạng và mô hình nền.

Về trạng thái ứng suất, Hans-Georg Kempfert và Berhane Geobreselassie (2006) phân tích các đường ứng suất trong mặt phẳng $p-q$: đoạn $OA$ đặc trưng cho nền đắp/móng, $OD$ dưới đáy hố đào, $OB$ bên cạnh kết cấu chắn giữ, $OE$ phía trước kết cấu chắn và đáy hố đào (bị động), $OF$ thể hiện sự giảm ứng suất đứng và tăng ứng suất ngang do chuyển vị tường. Stroh (1974) chia không gian quanh hố đào thành 3 vùng: Vùng 1 (ứng suất đứng giữ nguyên, ứng suất ngang giảm dần do đào), Vùng 2 (ứng suất đứng giảm do đào, ứng suất ngang tăng do dịch chuyển tường), Vùng 3 (ứng suất đứng giảm do đào, ứng suất ngang giữ nguyên). Wong (2009) phân loại các vùng trạng thái ứng suất từ A đến F, trong đó vùng E (tương ứng đoạn $OB$ sau lưng tường) được xác định là vùng chịu ảnh hưởng trực tiếp của quá trình đào dỡ tải nhưng chưa được nghiên cứu đầy đủ, dẫn đến việc thực tế thiết kế phải dùng số liệu gia tải từ vùng C và D để thay thế.

Vùng ứng suất theo Stroh (1974)	Trạng thái ứng suất thẳng đứng	Trạng thái ứng suất nằm ngang	Cơ chế làm việc thực tế
Vùng 1 (Sau lưng tường chắn)	$\sigma'_1 = \text{const}$ (giữ nguyên)	$\sigma'_3$ giảm dần	Dỡ tải ngang do quá trình đào đất
Vùng 2 (Phía trước chân tường chắn)	$\sigma'_1$ giảm do đào đất	$\sigma'_3$ tăng	Tăng áp lực ngang do tường dịch chuyển
Vùng 3 (Dưới đáy hố đào)	$\sigma'_1$ giảm do bốc dỡ đất	$\sigma'_3 = \text{const}$ (giữ nguyên)	Dỡ tải đứng thuần túy

Về thực trạng tính toán và khảo sát, thống kê hơn 160 sự cố hố đào tại Trung Quốc cho thấy nguyên nhân do thiết kế chiếm 46%, do thi công chiếm 41,5%, trong đó việc thiếu hoặc sai lệch thông tin địa kỹ thuật chiếm đa số. Nghiên cứu của Pearlman và cộng sự (2004) khi đối chiếu giữa mô hình phần tử hữu hạn (Plaxis), phương pháp dầm trên nền đàn hồi (Wallap) với số liệu hiện trường đưa ra kết luận: trong hầu hết các trường hợp, chuyển vị thực tế của tường chắn đều nhỏ hơn dự báo tính toán. Tại Việt Nam, kết quả phân tích hố đào sâu dự án Nhiêu Lộc - Thị Nghè (kích thước $25 \times 54\text{ m}$, tường vây dày 1,2m sâu 40m, 7 tầng thanh chống) cho thấy mô hình Mohr-Coulomb dự báo chuyển vị ngang lớn hơn thực tế từ 15% đến 27%, mô hình Hardening Soil dự báo lớn hơn từ 8% đến 15%.

Khoảng trống mà luận án lựa chọn giải quyết là thiết lập quy trình thực nghiệm trên máy ba trục dỡ tải ngang (giảm $\sigma_3$, giữ nguyên $\sigma_1$) có xét đến trạng thái ứng suất lệch ban đầu ($K_0$), đồng thời lựa chọn và cải tiến mô hình đàn dẻo Lade để tính toán chuyển vị ngang hố đào thay cho các mô hình truyền thống.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Luận án sử dụng cơ sở lý thuyết biến dạng bé trong cơ học môi trường liên tục và phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) với bài toán biến dạng phẳng. Về mặt lý thuyết đàn dẻo, tác giả tiến hành khảo sát và đánh giá nhược điểm của 3 mô hình kinh điển đối với bài toán dỡ tải hố đào:

1. Mô hình Mohr-Coulomb: Đặc trưng bởi 5 tham số ($E, \nu, c, \varphi, \psi$). Nhược điểm là giả thiết quan hệ ứng suất - biến dạng tuyến tính trước phá hoại trong khi thực tế là phi tuyến; chỉ xuất hiện biến dạng thể tích giãn nở khi đất đạt trạng thái phá hoại; đánh giá sức kháng cắt không thoát nước cao hơn thực tế. Khi dỡ tải giảm $\sigma_3$, mô hình không mô tả được sự suy giảm mô đun biến dạng thực tế.

2. Mô hình Cam-Clay cải tiến: Xác định qua các tham số ($M, \Gamma, \lambda, \kappa, p_c, \nu$). Đường ứng suất thí nghiệm nén ba trục giảm $\sigma_3$ có vi phân: $$dq = -\frac{3}{2}dp$$ Biểu thức mặt chảy: $$q^2 - M^2(p'_0 p' - p'^2) = 0$$ Khi đạo hàm tiếp tuyến mặt chảy với tỷ số $p'/p'_0 < 0,11$ (với $M=1$), đất nền chuyển sang trạng thái đàn hồi (mô đun tiếp tuyến tăng lên). Điều này mâu thuẫn với thực tế cơ học đất: khi độ lệch ứng suất $q$ tăng thì mô đun tiếp tuyến phải suy giảm.

3. Mô hình Hyperbol (Duncan-Chang): Sử dụng các tham số ($K_L, K_{ur}, n, R_f, c, \varphi$). Biểu thức mô đun đàn hồi tiếp tuyến $E_t$: $$E_t = \left[1 - \frac{R_f(1 - \sin\varphi)(\sigma_1 - \sigma_3)}{2c\cos\varphi + 2\sigma_3\sin\varphi}\right]^2 E_i$$ Khi xét biến thiên theo $\sigma_3$, đạo hàm $\partial E_t / \partial \sigma_3$ xuất hiện trường hợp dương khi: $$2c\cos\varphi + 2\sigma_1\sin\varphi < 0$$ Điều này dẫn đến hệ quả phi lý là đất trở nên cứng hơn khi dỡ tải. Khi $c=0$, tỷ số suy giảm mô đun khi giảm $\sigma_3$ lớn hơn nhiều so với khi tăng $\sigma_1$.

Mô hình đất nền	Tham số đầu vào chính	Đặc trưng mặt phá hoại / mặt chảy	Hạn chế chính trong bài toán hố đào sâu
Mohr-Coulomb	$E, \nu, c, \varphi, \psi$	Đường bao phá hoại tuyến tính Mohr-Coulomb	Quan hệ ứng suất - biến dạng là đoạn thẳng; không mô phỏng được độ suy giảm độ cứng khi dỡ tải ngang
Cam-Clay cải tiến	$M, \Gamma, \lambda, \kappa, p_c, \nu$	Mặt chảy dẻo hình elip trong mặt phẳng $p-q$	Khi $p'/p'_0 < 0,11$, mô hình dự báo đất quay lại đàn hồi (tăng mô đun), trái quy luật vật lý
Hyperbol	$K_L, K_{ur}, n, R_f, c, \varphi$	Mặt phá hoại Mohr-Coulomb, hàm hyperbol	Đạo hàm mô đun tiếp tuyến theo $\sigma_3$ phi tuyến mạnh, có thể làm đất cứng lên bất thường
Lade cải tiến	$M, \lambda_1, m, \eta_1, \alpha, \beta, h, \psi, C, p, b$	Mặt phá hoại mở rộng, mặt thế năng biến dạng dẻo và mặt chảy dẻo độc lập	Phản ánh đúng quá trình suy giảm độ cứng và giãn nở thể tích khi giảm ứng suất ngang $\sigma_3$

Từ các phân tích trên, tác giả lựa chọn và xây dựng Mô hình Lade cải tiến. Mô hình này thiết lập các hàm toán học dựa trên không gian ứng suất chính, bao gồm:

• Đặc trưng đàn hồi phi tuyến;
• Mặt phá hoại dạng hàm bậc ba mở rộng với các tham số cường độ $\eta_1, m$;
• Mặt thế năng biến dạng dẻo $g$ xác định qua tham số $\alpha, \beta$;
• Chuẩn dẻo và mặt chảy dẻo $f$ điều khiển bởi các tham số $h, \psi$;
• Quy luật tái bền và hóa mềm phụ thuộc công biến dạng dẻo với các thông số $C, p, b$.

Về phương pháp thực nghiệm, tác giả không sử dụng thí nghiệm gia tải quy ước mà thiết kế sơ đồ thí nghiệm nén ba trục giảm ứng suất ngang (sơ đồ RTC - Reduced Triaxial Compression, tương ứng mã đường ứng suất $TX_116$). Mẫu đất dính nguyên dạng được cố kết dưới áp lực buồng ban đầu tạo trạng thái ứng suất lệch $K_0$, sau đó giữ nguyên ứng suất dọc trục $\sigma_1$ và giảm dần có kiểm soát áp lực buồng $\sigma_3$ cho đến khi mẫu đạt trạng thái phá hoại.

Về công cụ tính toán, tác giả xây dựng phần mềm chuyên dụng LadeDeep dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn. Mã nguồn được viết bằng ngôn ngữ lập trình kỹ thuật (chi tiết tại Phụ lục C của luận án), tích hợp các phần tử thanh dàn, dầm (mô phỏng tường vây, thanh chống), phần tử tấm tam giác đẳng tham số (mô phỏng khối đất nền), phần tử tiếp xúc (interface) mô phỏng ma sát đất - kết cấu, và thuật toán giải lặp phi tuyến mô phỏng từng giai đoạn đào dỡ tải và hạ mực nước ngầm.

Nguồn dữ liệu thực nghiệm và kiểm chứng bao gồm kết quả thí nghiệm trên các mẫu đất sét tại phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật (Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội, Trường Đại học Xây dựng) và số liệu quan trắc thực địa tại các công trình: Bệnh viện Trung ương Quân đội 108, Dự án Hoabinh Green City Minh Khai (Hà Nội) và Công trình đập thủy điện số 2.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan các vấn đề nghiên cứu đánh giá điều kiện địa kỹ thuật hố đào sâu

Chương 1 hệ thống hóa các đặc điểm kỹ thuật và hiện tượng biến dạng nền khi thi công hố đào sâu đô thị. Tác giả phân tích 4 hiện tượng địa kỹ thuật nguy hiểm: dịch chuyển ngang của thành hố đào và hệ tường chắn, lún sụt bề mặt đất xung quanh, hiện tượng trồi đáy hố đào do giảm tải trọng thẳng đứng kết hợp chênh lệch cột nước ngầm, và hiện tượng xói ngầm/chảy cát vào lòng hố.

Về mặt cơ học, chương này phân tích bản chất các đường ứng suất: nén thủy tĩnh (HC), nén ba trục thông thường (CTC), kéo ba trục giảm dần (RTE), kéo ba trục thông thường (CTE), nén ba trục giảm ứng suất ngang (RTC), nén cắt đơn giản (SS). Tác giả chứng minh rằng vùng đất sau lưng tường chắn hố đào thuộc vùng dỡ tải ngang (vùng E theo Wong, 2009), chịu ứng suất cắt tăng do $\sigma_3$ giảm dần.

Chương 1 điểm lại các phương pháp tính toán: phương pháp giải tích đơn giản (áp lực đất Rankine, Coulomb giả thiết trạng thái giới hạn chủ động/bị động hoàn toàn), phương pháp dầm trên nền đàn hồi (mô hình Winkler, Blum), và phương pháp phần tử hữu hạn. Tác giả chứng minh về mặt toán học rằng các mô hình đàn dẻo hiện hành (Mohr-Coulomb, Cam-Clay cải tiến, Hyperbol) đều bộc lộ khiếm khuyết nghiêm trọng khi giải bài toán dỡ tải $\sigma_3$. Khảo sát quy chuẩn hiện hành (TCXDVN 194:2006, TCVN 9363-2012) cho thấy công tác khảo sát mới tập trung vào chỉ tiêu cơ lý quy ước, thiếu các thí nghiệm mô phỏng đúng đường ứng suất dỡ tải.

Chương 2: Thí nghiệm xác định thông số đặc trưng của đất nền trên máy ba trục giảm ứng suất ngang

Chương 2 trình bày quá trình nghiên cứu thực nghiệm nhằm thu thập thông số đầu vào sát thực tế. Tác giả chỉ ra các hạn chế của máy ba trục thông thường và máy ba trục hiện đại trên thế giới (máy GDS LVDT đo biến dạng nhỏ, máy gắn cảm biến tiệm cận, máy ba trục thật True Triaxial Test $\sigma_1 \neq \sigma_2 \neq \sigma_3$ do giá thành cao và khó tương thích với thực hành).

Từ đó, tác giả nghiên cứu giải pháp cải tiến hệ thống thiết bị thí nghiệm nén ba trục truyền thống tại Trường Đại học Kiến trúc Hà Nội: bổ sung bộ điều khiển giảm áp lực buồng chính xác, cảm biến áp lực và biến dạng thể tích, hệ thống ghi nhận số liệu tự động. Quy trình thí nghiệm $TX_116$ được chuẩn hóa:

• Tạo áp lực buồng và ứng suất dọc trục ban đầu tương ứng với trạng thái ứng suất tĩnh nguyên trạng của mẫu đất tại độ sâu lấy mẫu ($K_0$);
• Duy trì cố kết đẳng hướng hoặc bất đẳng hướng;
• Giữ tải trọng thẳng đứng $\sigma_1 = \text{const}$, điều khiển van xả giảm áp lực buồng $\sigma_3$ với tốc độ kiểm soát nhằm theo dõi biến dạng dọc trục $\varepsilon_l$, biến dạng thể tích $\varepsilon_v$ và sự biến đổi của ứng suất lệch $(\sigma_1 - \sigma_3)$.

Kết quả thí nghiệm trên các mẫu đất dính (Mẫu 1, Mẫu 3, Mẫu 11...) cho thấy đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng trong thí nghiệm giảm $\sigma_3$ có độ dốc ban đầu lớn hơn, độ dẻo biểu hiện rõ rệt và giá trị mô đun biến dạng tiếp tuyến suy giảm nhanh hơn so với thí nghiệm CTC thông thường. Biểu đồ vòng tròn Mohr từ thí nghiệm giảm $\sigma_3$ xác định đường bao phá hoại có độ dốc và tung độ gốc khác biệt, phản ánh đúng sức kháng cắt thực tế của khối đất chịu dỡ tải hông.

Chương 3: Mô hình Lade cải tiến cho bài toán hố đào sâu

Chương 3 tập trung xây dựng công thức giải tích cho mô hình Lade cải tiến và tích hợp vào thuật toán PTHH. Trên cơ sở mô hình gốc của Lade (1977) và Lade - Jacobsen (2002), tác giả điều chỉnh các hàm thành phần để tương thích với ứng xử dỡ tải ngang:

1. Đặc trưng đàn hồi: Biến dạng đàn hồi được tách biệt, mô đun đàn hồi dỡ tải - gia tải lại $E_{ur}$ phụ thuộc vào hàm lũy thừa của ứng suất chính nhỏ nhất $\sigma_3$.
2. Mặt phá hoại: Xác định trong không gian ứng suất thông qua hàm bất biến bậc một $I_1$ và bậc ba $I_3$: $$f_n = \left(\frac{I_1^3}{I_3} - 27\right)\left(\frac{I_1}{p_a}\right)^m - \eta_1 = 0$$ Trong đó $p_a$ là áp lực khí quyển; $m, \eta_1$ là các thông số vật liệu xác định từ thực nghiệm nén ba trục giảm $\sigma_3$.
3. Mặt thế năng biến dạng dẻo: Dùng để xác định tỷ lệ các thành phần số gia biến dạng dẻo theo quy luật chảy phi liên kết: $$g = I_1^3 - (27 + \beta I_1^\alpha) I_3 = 0$$
4. Mặt chảy dẻo và quy luật cứng hóa: Hàm chảy dẻo $f_p$ phát triển phụ thuộc vào công biến dạng dẻo tích lũy $W_p$, điều khiển cơ chế biến cứng và hóa mềm của đất dính sau khi đạt đỉnh cường độ.

Chương này trình bày chi tiết thuật toán xác định 11 thông số của mô hình Lade cải tiến từ kết quả thí nghiệm ở Chương 2. Đánh giá độ tin cậy được thực hiện bằng cách mô phỏng lại đường cong quan hệ ứng suất - biến dạng dọc trục và biến dạng thể tích, cho thấy độ trùng khớp cao giữa lý thuyết và thực nghiệm. Cuối chương giới thiệu cấu trúc phần mềm LadeDeep, bao gồm sơ đồ khối giải lặp phi tuyến Newton-Raphson cải biên, quy trình thành lập ma trận độ cứng tổng thể $[K]_s$, véc-tơ lực nút tương đương $[F]_s$, và xử lý điều kiện biên chuyển vị qua từng bước đào đất và đặt thanh chống.

Chương 4: Áp dụng tính toán hố đào sâu theo mô hình Lade cải tiến

Chương 4 kiểm chứng tính đúng đắn của phương pháp và phần mềm đề xuất thông qua việc phân tích 3 công trình thực tế có đầy đủ hồ sơ địa kỹ thuật và số liệu quan trắc chuyển vị bằng ống đo nghiêng (inclinometer):

1. Công trình Bệnh viện Trung ương Quân đội 108: Hố đào sâu trong khu vực nội đô Hà Nội, địa tầng gồm các lớp đất sét pha, bùn sét yếu đến cát pha. Mô hình hóa bài toán với hệ tường vây bê tông cốt thép kết hợp thanh chống thép hình. Tác giả so sánh kết quả chuyển vị ngang lớn nhất của đỉnh tường sau khi đào đến đáy móng giữa 3 nguồn số liệu:

• Tính toán theo mô hình Mohr-Coulomb: Chuyển vị lớn hơn nhiều so với thực tế;
• Đo đạc quan trắc thực địa bằng inclinometer;
• Tính toán bằng phần mềm LadeDeep theo mô hình Lade cải tiến (sử dụng thông số từ thí nghiệm giảm $\sigma_3$). Kết quả tính từ mô hình Lade cải tiến bám sát đường cong đo đạc quan trắc thực tế, sai số chuyển vị đỉnh tường giảm rõ rệt so với mô hình Mohr-Coulomb.

2. Công trình Hoabinh Green City (Minh Khai, Hà Nội): Công trình có quy mô hố đào sâu thi công qua các lớp sét dẻo mềm và cát bão hòa nước, sử dụng hệ tường vây và nhiều tầng thanh chống. Tính toán được thực hiện chi tiết cho giai đoạn đào thứ 4 (giai đoạn bất lợi nhất). Biểu đồ phân bố áp lực ngang và chuyển vị thân tường theo chiều sâu cho thấy mô hình Lade cải tiến dự báo hình dạng uốn của tường và giá trị chuyển vị ngang cực đại sát với số liệu đo đạc thực tế, loại bỏ hiện tượng phóng đại chuyển vị quá mức của mô hình Mohr-Coulomb.

3. Công trình đập thủy điện số 2: Áp dụng mô hình để đánh giá ứng xử khối đất gia cố và tường chắn trong điều kiện địa chất phức tạp. Kết quả khẳng định khả năng hội tụ của phần mềm LadeDeep và tính ổn định của mô hình Lade cải tiến khi mô tả các giai đoạn giải phóng ứng suất hông.

Kết quả và những đóng góp mới

Luận án đã đạt được các kết quả khoa học và đóng góp mới sau:

1. Về mặt khoa học và lý luận:

• Khẳng định và chứng minh bằng thực nghiệm rằng thí nghiệm nén ba trục giảm ứng suất ngang (giữ $\sigma_1$, giảm $\sigma_3$, có xét ứng suất lệch ban đầu $K_0$) mô phỏng đúng bản chất cơ học trạng thái ứng suất - biến dạng của khối đất thành hố đào trong quá trình thi công dỡ tải. Kết quả biến dạng và sức kháng cắt thu được khác biệt có tính quy luật so với thí nghiệm nén ba trục truyền thống (tăng $\sigma_1$, giữ $\sigma_3$).
• Xây dựng thành công mô hình đất nền Lade cải tiến phù hợp cho bài toán hố đào sâu, khắc phục triệt để các điểm bất hợp lý về mặt cơ học của các mô hình kinh điển (Mohr-Coulomb, Cam-Clay cải tiến, Hyperbol) khi giải bài toán dỡ tải hông.

2. Về mặt thực tiễn và kỹ thuật:

• Thiết kế và chế tạo thành công thiết bị thí nghiệm nén ba trục giảm ứng suất ngang trên cơ sở cải tiến máy nén ba trục hiện có tại Việt Nam, đưa ra quy trình vận hành thí nghiệm chi tiết, khả thi và tiết kiệm kinh phí.
• Lập trình hoàn chỉnh bộ phần mềm phần tử hữu hạn LadeDeep chuyên dụng cho bài toán hố đào sâu, tích hợp mô hình Lade cải tiến và các loại phần tử kết cấu chống giữ, tiếp xúc đất - tường.
• Đề xuất quy trình đồng bộ từ công tác khảo sát hiện trường, thí nghiệm xác định thông số trên máy ba trục giảm $\sigma_3$, đến mô hình hóa tính toán chuyển vị tường chắn. Kết quả áp dụng tại Bệnh viện 108 và Hoabinh Green City chứng minh phương pháp mới giảm thiểu sai số dự báo chuyển vị, mang lại độ tin cậy kỹ thuật cao cho công tác thiết kế kết cấu chắn giữ.

Về kiến nghị, tác giả đề xuất đưa thí nghiệm ba trục giảm ứng suất ngang vào quy trình khảo sát địa kỹ thuật bổ sung cho các công trình ngầm đô thị quy mô lớn; đồng thời khuyến nghị các đơn vị tư vấn thiết kế sử dụng mô hình đàn dẻo phù hợp với đường ứng suất dỡ tải nhằm tối ưu hóa kích thước kết cấu chắn giữ, tránh lãng phí vật liệu do sai số hệ thống của các mô hình truyền thống.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Căn cứ vào phạm vi và nội dung trình bày trong văn bản, luận án tồn tại một số giới hạn kỹ thuật:

• Đối tượng đất nghiên cứu chủ yếu tập trung vào các loại đất dính có tính gắn kết, có khả năng lấy mẫu nguyên dạng không bị xáo động để gia công mẫu nén ba trục; chưa mở rộng sang đất rời, đất cát bão hòa nước hoặc đất cuội sỏi.
• Mô hình bài toán phẳng (biến dạng phẳng 2D) chưa xét đến hiệu ứng vòm không gian 3 chiều tại các góc hố đào hoặc hố đào có hình dạng phức tạp.
• Giả thiết điều kiện thi công nhanh đối với đất dính chưa xét đến đầy đủ quá trình tiêu tán áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian (bài toán cố kết thấm - biến dạng kết hợp dài hạn).

Hướng nghiên cứu phát triển tiếp theo gồm:

• Mở rộng hoàn thiện thiết bị thí nghiệm ba trục giảm ứng suất ngang để thí nghiệm được cho cả đất cát và đất bùn sét yếu bão hòa nước;
• Phát triển mô hình Lade cải tiến và nâng cấp phần mềm LadeDeep lên không gian 3 chiều (3D FEM) nhằm mô phỏng chính xác hiệu ứng góc hố đào và tương tác phức tạp giữa các hố đào lân cận.

Giá trị tham khảo

Luận án là tài liệu tham khảo chuyên môn hữu ích cho:

• Nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Kỹ thuật Xây dựng Công trình ngầm, Địa kỹ thuật xây dựng và Nền móng công trình: Tham khảo phương pháp luận phân tích đường ứng suất, công thức giải tích mô hình đàn dẻo Lade cải tiến và phương pháp lập trình phần tử hữu hạn (Phụ lục B và C).
• Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình ngầm: Cung cấp cách nhìn định lượng về sai số của mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil khi dùng phần mềm thương mại; nắm bắt phương pháp lựa chọn thông số đàn dẻo phù hợp cho bài toán dỡ tải hông.
• Các phòng thí nghiệm địa kỹ thuật: Bản vẽ và nguyên lý cải tiến buồng nén ba trục truyền thống thành hệ thống giảm áp lực buồng (Phụ lục A) có tính ứng dụng thực tế cao, chi phí thấp, dễ triển khai tại các cơ sở kiểm định ở Việt Nam.
• Cơ quan quản lý và chủ đầu tư dự án ngầm đô thị: Cung cấp cơ sở khoa học để đánh giá mức độ an toàn của biện pháp thi công tầng hầm, kiểm soát rủi ro chuyển vị công trình lân cận.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao các mô hình đất nền phổ biến như Mohr-Coulomb hay Plaxis thường dự báo chuyển vị ngang hố đào lớn hơn thực tế?

Nguyên nhân chính nằm ở thông số đầu vào và bản chất mô hình hóa. Các phần mềm thường sử dụng thông số thu được từ thí nghiệm nén ba trục thông thường (tăng $\sigma_1$, giữ nguyên $\sigma_3$). Sơ đồ gia tải này không mô tả đúng bản chất dỡ tải ngang ($\sigma_1$ giữ nguyên, $\sigma_3$ giảm) của đất sau lưng tường chắn hố đào. Mô hình Mohr-Coulomb giả thiết ứng xử đàn hồi tuyến tính trước phá hoại nên đánh giá sai độ cứng tiếp tuyến của đất trong quá trình biến dạng dỡ tải, dẫn đến kết quả chuyển vị tính toán bị phóng đại so với quan trắc (như tại dự án Nhiêu Lộc - Thị Nghè, sai số lớn hơn từ 15% đến 27%).

2. Mô hình Cam-Clay cải tiến gặp lỗi toán học/vật lý nào khi giải bài toán dỡ tải giảm ứng suất ngang $\sigma_3$?

Trong thí nghiệm giảm $\sigma_3$, độ nghiêng của đường ứng suất là $dq/dp = -3/2$. Khi giải phương trình vi phân mặt chảy elip của mô hình Cam-Clay cải tiến, tại trạng thái ứng suất trung bình có tỷ số $p'/p'_0 < 0,11$ (với $M=1$), tiếp tuyến mặt chảy làm đất quay trở lại trạng thái làm việc đàn hồi hoàn toàn (mô đun tiếp tuyến $E_t$ tăng lên). Điều này trái với thực tế vật lý: khi đất bị đào dỡ tải hông làm độ lệch ứng suất $q$ tăng lên, mô đun biến dạng tiếp tuyến phải liên tục suy giảm.

3. Thí nghiệm ba trục mã hiệu TX_116 được luận án thiết lập có quy trình thực hiện như thế nào?

Thí nghiệm $TX_116$ là thí nghiệm nén ba trục giảm ứng suất ngang có xét ứng suất lệch ban đầu. Mẫu đất dính nguyên dạng được lắp vào buồng thí nghiệm đã cải tiến, tiến hành cấp tải tạo trạng thái ứng suất ban đầu tương ứng với hệ số áp lực đất tĩnh tự nhiên $K_0$. Trong quá trình thí nghiệm, hệ thống gia tải giữ không đổi ứng suất dọc trục $\sigma_1$, đồng thời xả áp suất buồng $\sigma_3$ giảm dần với tốc độ ổn định cho đến khi mẫu đất bị phá hoại trượt cắt, liên tục đo đạc biến dạng dọc trục và biến dạng thể tích.

4. Phần mềm LadeDeep do tác giả xây dựng có cấu trúc phần tử và năng lực tính toán ra sao?

Phần mềm LadeDeep được lập trình dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn bài toán biến dạng phẳng. Chương trình tích hợp các loại phần tử: phần tử thanh dàn và thanh dầm chịu uốn mô phỏng tường cọc/tường vây và thanh chống văng; phần tử tam giác đẳng tham số mô phỏng khối đất nền theo quy luật đàn dẻo Lade cải tiến; phần tử tiếp xúc mô phỏng ma sát bề mặt tường - đất. Thuật toán giải lặp phi tuyến mô phỏng chính xác từng giai đoạn đào đất hạ mức biên cơ học và hạ mực nước ngầm.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Nguyễn Trường Huy đã giải quyết một vấn đề then chốt trong kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: làm sáng tỏ cơ chế ứng xử dỡ tải ngang của khối đất sau lưng tường chắn hố đào sâu đô thị. Bằng việc cải tiến thành công thiết bị thí nghiệm nén ba trục giảm ứng suất ngang, hoàn thiện hệ thống công thức giải tích cho mô hình đất nền Lade cải tiến và xây dựng phần mềm phần tử hữu hạn LadeDeep, công trình đã thiết lập một quy trình kỹ thuật hoàn chỉnh và đồng bộ. Kết quả kiểm chứng tại các dự án thực tế như Bệnh viện 108 và Hoabinh Green City chứng minh phương pháp đề xuất dự báo chính xác chuyển vị ngang thành hố đào, khắc phục sai số hệ thống của các mô hình kinh điển, đóng góp thiết thực cho công tác thiết kế và an toàn thi công công trình ngầm tại Việt Nam.

Trích đoạn nội dung tài liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN CÁC VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU ĐÁNH GIÁ ĐIỀU KIỆN ĐỊA KỸ THUẬT HỐ ĐÀO SÂU 1. THỰC TRẠNG NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN ĐỊA KỸ THUẬT PHỤC VỤ THIẾT KẾ HỐ ĐÀO SÂU: 1. Đặc điểm và phạm vi nghiên cứu về hố đào sâu Trong phát triển và cải tạo đô thị, nhất là đối với các đô thị lớn, luôn luôn có sự kết hợp chặt chẽ và hữu cơ giữa các công trình trên mặt đất và các công trình đặt ngầm dưới mặt đất. Đó là một xu thế tất yếu trên thế giới và ngày càng được hoàn chỉnh để hiện đại hoá các đô thị và nó có ý nghĩa rất lớn về mặt xã hội, kinh tế và môi trường, có quan hệ mật thiết giữa hoạt động dân sinh với các công tác phòng vệ dân sự cho trước mắt cũng như lâu dài.

Việc xây dựng các loại công trình HĐS đặt ra yêu cầu về những biện pháp chắn giữ để bảo vệ thành vách hố và công nghệ đào thích hợp về mặt kỹ thuật - kinh tế cũng như an toàn môi trường và không gây ảnh hưởng xấu đến công trình lân cận đã có từ trước. Hố đào trong thực tế là một dạng công trình trung gian phục vụ thi công móng hoặc xây dựng công trình ngầm. Về phương diện cơ học, thi công hố đào có thể được coi là một bài toán dỡ tải đối với nền đất. Việc dỡ tải này làm thay đổi trạng thái ứng suất biến dạng trong nền.

Sự cân bằng ban đầu bị vi phạm, trạng thái ứng suất thay đổi làm xuất hiện nguy cơ mất ổn định, trước hết là thành hố và sau đó là đáy hố và đất xung quanh. Khi nghiên cứu sự ổn định của hố đào và các biện pháp bảo vệ nó, Terzaghi (1943) đánh giá chiều sâu hố đào là yếu tố quan trọng nhất và đưa ra tiêu chí: + Hồ đào nông là hố có chiều sâu nhỏ hơn chiều rộng của hố; + Hố đào sâu (HĐS) là hố có chiều sâu lớn hơn chiều rộng của hố. Nhưng sau đó thì năm 1967, Teraghi và Peck, và năm 1977 Peck và các cộng sự đã đề nghị là: + Hố đào nông là hố có chiều sâu đào nhỏ hơn 6m; + Hố đào sâu là hố có chiều sâu đào lớn hơn 6m. 7 Trong cơ học đất hiện đại, một số tác giả cho rằng đối với các hố đào thi công trong đô thị thì việc đảm bảo mức ảnh hưởng thấp nhất đến các công trình xung quanh là quan trọng nhất, do đó chỉ còn một khái niệm duy nhất là thi công hố đào.

+ Đặc điểm của HĐS Công trình HĐS có nhiều đặc điểm [9], nhưng khái quát lại gồm có: - Công trình HĐS là một loại công việc tạm thời, sự dự trữ về an toàn có thể tương đối nhỏ nhưng lại liên quan đến tính địa phương, điều kiện địa chất của mỗi loại vùng khác nhau thì đặc điểm cũng khác nhau. Công trình HĐS là một khoa học đan xen giữa các khoa học về đất đá, về kết cấu và kỹ thuật thi công; trong đó hệ thống chịu lực ảnh hưởng đan xen của nhiều yếu tố phức tạp; - Các công trình hố đào đang phát triển theo hướng độ sâu lớn, diện tích rộng, quy mô công trình ngày càng tăng lên; - Tính chất của đất đá thường biến đổi trong khoảng khá rộng, tính phức tạp, tính không đồng đều thường làm cho số liệu khảo sát có tính phân tán lớn, khó đại diện cho tình hình tổng thể của các tầng đất, khó xác định được chính xác bằng các phương pháp thí nghiệm hiện tại, tăng thêm khó khăn cho thiết kế và thi công; - Thi công hố đào trong điều kiện đất yếu, mực nước ngầm cao và các điều kiện hiện trường phức tạp khác dễ sinh mất ổn định, dịch chuyển, đáy hố trồi lên, … làm hư hỏng kết cấu bên trong hố đào, gây nguy hiểm cho công trình lân cận. Mặc dù đã đạt được những tiến bộ đáng kể trong lĩnh vực xây dựng công trình ngầm đô thị, nhưng vẫn cần đặc biệt quan tâm đến những vấn đề sau: - Giải pháp thiết kế và thi công công trình HĐS gắn bó chặt chẽ với nhau do đặc điểm thiết kế kết cấu chắn giữ công trình hố đào phụ thuộc vào điều kiện đất nền, điều kiện nước dưới đất và công nghệ thi công; - Về mặt kỹ thuật: Đây là dạng công trình phức tạp, thi công dưới sâu, dễ gây ra sự cố cho bản thân công trình và các công trình liền kề; - Về mặt kinh tế: Công trình có tầng ngầm là công trình mà ở đó có thể gây lãng phí nếu lựa chọn giải pháp thiết kế và thi công không phù hợp với đặc điểm của dự án. + Phạm vi nghiên cứu của đề tài về hố đào sâu 8 Trên thế giới, đã có nhiều đề tài nghiên cứu về địa kỹ thuật liên quan đến HĐS như: Bjerrum và Eide (1956) [24], Bentler (1998) [22], Clough và Hansen (1981) [32], Hashash (1992) [37], Mana (1978) [45], Mana và Clough (1981) [46], Ou và Shiau (1998) [49], Ou (2006) [47], Peck (1969) [51], Wong (2009) [56]… Trong nước có các nghiên cứu như: Đỗ Đình Đức (2002) [1], Chu Tuấn Hạ (2011) [3], và các đề tài nghiên cứu khác.

Các nghiên cứu này tập trung vào điều kiện địa kỹ thuật của từng khu vực, nghiên cứu các thông số, các quan hệ ứng suất biến dạng, các dạng mô hình nền, …. Tuy nhiên, chưa có nhiều nghiên cứu liên quan mô tả được ứng xử của đất nền bên cạnh hố đào trong quá trình thi công HĐS. Theo Hans-Georg Kempfert và Berhane Geobreselassie (2006) [38] có nhiều trạng thái ứng suất trong nền, được trình bày trên hình 1.1, trên hệ tọa độ với trục tung q (độ lệch ứng suất), p (ứng suất trung bình). Các đoạn OA, OB, OC, OD, OE, OF thể hiện trạng thái ứng suất tại các vị trí khác nhau xung quanh hố đào.

Đường ứng suất khác nhau trong 1 hố đào [38] Đoạn OA là điển hình cho trạng thái của ứng suất theo trục của nền đất đắp hoặc nền móng, đoạn OD là điển hình cho trạng thái ứng suất dưới đáy của hố đào, đoạn OB là điển hình cho trạng thái ứng suất bên cạnh kết cấu chắn giữ và đoạn OE là điển hình cho trạng thái ứng suất ở phía trước kết cấu chắn giữ và dưới đáy hố đào (trường 9 hợp bị động), nơi thay đổi ứng suất thẳng đứng do giảm ứng suất thẳng đứng giả định là rất nhỏ. Sự giảm của ứng suất thẳng đứng tới hố đào và tăng của ứng suất nằm ngang tùy thuộc vào sự dịch chuyển của tường trên phần bị động có thể được biểu diễn bằng đoạn OF, với điều kiện là sự gia tăng ứng suất trong cả 2 hướng chính như nhau. Stroh 1974 [38] đã phân chia các vùng có sơ đồ chịu tải và quan hệ ứng suất - biến dạng khác nhau với công trình HĐS (Hình 1. Vïng 1- øng suÊt th¼ng ®øng gi÷ nguyªn trong khi øng suÊt n»m ngang gi¶m dÇn trong qu¸ tr×nh ®µo 1 Vïng 2 - øng suÊt th¼ng ®øng 2 gi¶m v× ®µo vµ øng suÊt n»m ngang t¨ng do dÞch chuyÓn cña t­êng Vïng 3 - øng suÊt th¼ng ®øng 3 gi¶m v× ®µo vµ øng suÊt n»m ngang gi÷ nguyªn '1 '1 '3 1-3) 1-3) 1-3)    '3=const '1=const Dì t¶i & gia t¶i Hình 1.

Sơ đồ chịu tải và quan hệ ứng suất - biến dạng 10 Wong (2009) [56] trình bày đường ứng suất trong đất nền với các trạng thái chịu lực khác nhau (Hình 1.3) và đối với hố đào (Hình 1. Có thể chia các trạng thái ứng suất trong đất biến đổi do chịu tải theo các vùng từ A đến F trong đó đường ứng suất trong đất nền xung quanh hố đào thuộc vùng E. Đây là vùng đã được Wong (2009) [56] chỉ ra là chưa được nghiên cứu đầy đủ. Do vậy các đường ứng suất trong vùng D và C là các vùng đất nền gia tải thông thường, thường được sử dụng thay thế cho các đường ứng suất trong vùng E.

Các đường ứng suất này đều giao với đường phá hoại tuy nhiên quan hệ ứng suất - biến dạng hoàn toàn có sự khác nhau. Ph¸ ho¹i D C B E 1-3 F 1 3 A E- vïng Ýt ®­îc nghiªn cøu F- vïng nguy hiÓm 3 Hình 1. Đường ứng suất trong đất §­êng 1-3 ph¸ ho¹i §­êng Ko A B Vùng E A B A F B 3 Hình 1. Đường ứng suất trong hố đào Vùng nghiên cứu trong luận án ứng với đoạn OB (hình 1.1) hay vùng E (hình 1.4), với đối tượng là vùng chịu ảnh hưởng sau lưng tường.

Hiện tại, chưa có nhiều nghiên cứu liên quan đến vùng này, các thông số đất nền của vùng này hiện nay đang 11 được lấy thông qua số liệu của các vùng khác (đoạn khác) chủ yếu do nguyên nhân thiết bị thí nghiệm chưa phù hợp để mô tả được sự làm việc của đất nền vùng này. Các phần mềm tính toán hố đào vẫn đang sử dụng các thông số đất nền phụ thuộc vào số liệu được cung cấp từ các kết quả thí nghiệm thông thường. Để nghiên cứu được sự làm việc của đất nền sau lưng tường cần phải có thiết bị thí nghiệm phù hợp. Sử dụng thí nghiệm ba trục có xét đến giảm tải (giảm σ3) là hướng mà luận văn này sẽ nghiên cứu.

Sau khi có số liệu thí nghiệm sẽ tiến hành xây dựng mô hình tính, phần mềm tính toán hố đào phù hợp với số liệu này. Các hiện tượng địa kỹ thuật xảy ra khi thi công hố đào sâu 1. Chuyển dịch của đất nền khi thi công HĐS Hiện tượng mất ổn định thành hố đào là do trạng thái cân bằng của đất nền bị phá vỡ. Ở thời điểm khi đất nền ổn định, tại một thời điểm trong lòng đất tồn tại các giá trị ứng suất σx, σy, σz và các trị số ứng suất cắt.

Khi đào hố, thành phần ứng suất ở thành hố đào theo phương ngang (σx) bị giảm dần, do vậy mất đi sự cân bằng ban đầu. Lúc này sẽ xuất hiện các mặt trượt đẩy đất vào phía trong hố đào gây ra sự dịch chuyển của hệ chống đỡ và ảnh hưởng đến các công trình lân cận. Lún sụt đất nền xung quanh hố đào Khi thi công hố đào thường xảy ra hiện tượng lún sụt đất nền ở bề mặt xung quanh hố đào. Trên thực tế hiện tượng này là khó tránh khỏi.

Tuy nhiên với một giải pháp thi công hợp lý thì có thể hạn chế trị số này ở mức độ nhất định, do đó sự ảnh hưởng đến các công trình lân cận là không đáng kể.