Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng tại Thành phố Hồ Chí Minh, việc thi công các công trình có tầng hầm sâu ngày càng phổ biến, đặc biệt là trong khu vực Quận 3. Theo ước tính, các công trình cao tầng với tầng hầm từ 2 đến 4 tầng trở lên chiếm tỷ lệ đáng kể trong tổng số dự án xây dựng hiện nay. Một trong những giải pháp kỹ thuật quan trọng để đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công là việc thiết kế và kiểm soát chuyển vị ngang của vách barrette – một loại vách chắn bê tông cốt thép được sử dụng phổ biến trong thi công tầng hầm sâu.

Vấn đề nghiên cứu tập trung vào mối quan hệ giữa chuyển vị ngang của vách barrette với độ dày và chiều sâu của vách trong quá trình thi công bằng phương pháp semi-topdown tại khu vực Quận 3, TP. HCM. Mục tiêu cụ thể là xác định các thông số kỹ thuật phù hợp, từ đó xây dựng mô hình mô phỏng và bảng tra cứu giúp các kỹ sư tham khảo trong thiết kế và thi công nhằm đảm bảo an toàn kết cấu và tiết kiệm chi phí. Phạm vi nghiên cứu bao gồm các công trình có tầng hầm sâu từ 2 đến 4 tầng, sử dụng dữ liệu quan trắc thực tế và mô phỏng bằng phần mềm Plaxis trong giai đoạn 2018-2019.

Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn độ dày vách barrette phù hợp với chiều sâu tầng hầm, giảm thiểu chuyển vị ngang vượt mức cho phép, từ đó nâng cao độ an toàn và hiệu quả thi công các công trình ngầm tại TP. HCM. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần hoàn thiện tiêu chuẩn kỹ thuật và phương pháp thi công vách barrette trong điều kiện địa chất phức tạp của khu vực.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên hai mô hình lý thuyết chính trong phân tích kết cấu và địa kỹ thuật:

  1. Mô hình Morh-Coulomb: Đây là mô hình truyền thống dùng để mô phỏng ứng xử của đất nền dưới tải trọng, dựa trên giả thiết ứng suất và biến dạng tuyến tính trong phạm vi đàn hồi, với các thông số như mô đun đàn hồi, góc ma sát và độ dính. Mô hình này phù hợp với các loại đất có tính chất không thấm và được sử dụng rộng rãi trong phân tích kết cấu vách barrette.

  2. Mô hình Hardening Soil: Mô hình tiên tiến hơn, cho phép mô phỏng tính phi tuyến và biến dạng lớn của đất nền, bao gồm các hiệu ứng tái bền và biến dạng dẻo. Mô hình này phân biệt rõ các thông số mô đun đàn hồi theo ứng suất và thời gian, giúp mô phỏng chính xác hơn quá trình thi công và biến dạng của vách chắn trong điều kiện thực tế.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng bao gồm:

  • Vách barrette: Vách chắn bê tông cốt thép được thi công bằng phương pháp khoan cọc nhồi, có tiết diện hình chữ nhật hoặc chữ L, chiều rộng từ 0,6 đến 1,5 m, chiều sâu từ 12 đến 40 m tùy theo số tầng hầm.
  • Chuyển vị ngang của vách: Biến dạng ngang của vách barrette trong quá trình thi công, ảnh hưởng trực tiếp đến an toàn công trình và các công trình lân cận.
  • Phương pháp semi-topdown: Phương pháp thi công tầng hầm kết hợp giữa thi công từ trên xuống và từ dưới lên, giúp kiểm soát biến dạng vách chắn hiệu quả.
  • Thông số kỹ thuật đất nền: Bao gồm mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, sức kháng cắt, góc ma sát, và các thông số liên quan đến tính thấm và biến dạng của đất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các công trình thực tế tại Quận 3, TP. HCM, bao gồm các công trình Park Avenue, Lim 3 Tower và Marie Curie với tầng hầm sâu từ 2 đến 4 tầng. Dữ liệu quan trắc chuyển vị ngang vách barrette được thu thập bằng thiết bị inclinometer ABS có đường kính 70 mm, độ chính xác ±6 mm/30 m, với khoảng cách đo 0,5 m, đảm bảo độ tin cậy cao.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng các trường hợp khác nhau về độ dày và chiều sâu vách barrette, áp dụng mô hình Morh-Coulomb và Hardening Soil để so sánh kết quả. Cỡ mẫu nghiên cứu gồm ba công trình tiêu biểu, được lựa chọn dựa trên tính đại diện về địa chất và quy mô thi công.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8/2018 đến tháng 6/2019, bao gồm các bước: thu thập dữ liệu thực tế, phân tích dữ liệu, xây dựng mô hình mô phỏng, tổng hợp kết quả và đề xuất giải pháp. Phương pháp phân tích kết hợp giữa phân tích số liệu thực tế và mô phỏng kỹ thuật nhằm đảm bảo tính chính xác và khả thi của kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ dày vách đến chuyển vị ngang: Kết quả mô phỏng và quan trắc cho thấy khi tăng độ dày vách barrette từ 200 mm lên 1200 mm, chuyển vị ngang tối đa giảm từ khoảng 15 mm xuống còn dưới 5 mm, tương đương giảm hơn 66%. Điều này chứng tỏ độ dày vách là yếu tố quyết định trong việc kiểm soát biến dạng ngang.

  2. Tác động của chiều sâu vách: Với chiều sâu vách tăng từ 12 m đến 40 m, chuyển vị ngang cũng tăng lên đáng kể, trung bình tăng khoảng 30-40% so với chiều sâu nhỏ hơn. Chiều sâu lớn làm tăng áp lực đất và nước, gây biến dạng lớn hơn cho vách chắn.

  3. So sánh mô hình Morh-Coulomb và Hardening Soil: Mô hình Hardening Soil cho kết quả chuyển vị ngang thấp hơn khoảng 10-15% so với mô hình Morh-Coulomb, phản ánh khả năng mô phỏng chính xác hơn tính phi tuyến và biến dạng dẻo của đất nền. Điều này phù hợp với các nghiên cứu gần đây trong ngành địa kỹ thuật.

  4. Hiệu quả của phương pháp semi-topdown: Phương pháp thi công semi-topdown giúp giảm chuyển vị ngang vách khoảng 20% so với phương pháp topdown truyền thống, nhờ kiểm soát tốt hơn áp lực đất và nước trong quá trình thi công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do độ dày vách barrette ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực và độ cứng của vách, từ đó giảm thiểu biến dạng ngang. Chiều sâu vách càng lớn thì áp lực đất và nước càng tăng, làm tăng nguy cơ chuyển vị vượt mức cho phép. Việc sử dụng mô hình Hardening Soil giúp mô phỏng chính xác hơn các đặc tính phi tuyến của đất nền, đặc biệt là trong điều kiện đất yếu và có biến dạng lớn như tại TP. HCM.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả phù hợp với tiêu chuẩn BS 8002:1994 và các khuyến nghị của tổ chức Building and Construction Authority (Singapore) về giới hạn chuyển vị ngang cho phép không vượt quá 0,5% chiều cao vách chắn. Việc áp dụng phương pháp semi-topdown cũng được đánh giá cao về mặt an toàn và hiệu quả thi công.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ chuyển vị ngang theo độ dày và chiều sâu vách, bảng so sánh kết quả mô phỏng giữa các mô hình và phương pháp thi công, giúp trực quan hóa và dễ dàng tham khảo cho các kỹ sư thiết kế và thi công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng độ dày vách barrette phù hợp với chiều sâu tầng hầm: Đề nghị thiết kế độ dày vách từ 200 mm cho tầng hầm 1-2 tầng, tăng lên 800-1200 mm cho tầng hầm 3-4 tầng nhằm giảm chuyển vị ngang dưới mức cho phép. Chủ thể thực hiện: các đơn vị thiết kế và thi công. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án hiện tại và tương lai.

  2. Ưu tiên sử dụng mô hình Hardening Soil trong phân tích kết cấu: Khuyến khích các kỹ sư địa kỹ thuật áp dụng mô hình Hardening Soil để mô phỏng chính xác hơn đặc tính đất nền, từ đó đưa ra giải pháp thiết kế tối ưu. Chủ thể thực hiện: các phòng thí nghiệm, tư vấn thiết kế. Thời gian: áp dụng trong vòng 1 năm tới.

  3. Áp dụng phương pháp thi công semi-topdown cho các công trình tầng hầm sâu: Phương pháp này giúp kiểm soát biến dạng vách hiệu quả, giảm thiểu rủi ro trong thi công. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công, chủ đầu tư. Thời gian: áp dụng cho các dự án mới và cải tạo.

  4. Tăng cường quan trắc chuyển vị ngang trong quá trình thi công: Sử dụng thiết bị inclinometer hiện đại, đo đạc định kỳ để phát hiện sớm biến dạng vượt mức, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công, tư vấn giám sát. Thời gian: liên tục trong suốt quá trình thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và bảng tra cứu thông số kỹ thuật giúp thiết kế vách barrette phù hợp với điều kiện thực tế, nâng cao độ an toàn và hiệu quả công trình.

  2. Nhà thầu thi công tầng hầm: Tham khảo các giải pháp thi công semi-topdown và kiểm soát chuyển vị ngang, từ đó tối ưu quy trình thi công, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh.

  3. Chủ đầu tư và quản lý dự án: Hiểu rõ các yếu tố ảnh hưởng đến an toàn công trình tầng hầm, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý và giám sát thi công hiệu quả.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng, địa kỹ thuật: Tài liệu cung cấp kiến thức chuyên sâu về mô hình phân tích kết cấu vách barrette, phương pháp mô phỏng và ứng dụng thực tiễn tại TP. HCM, phục vụ cho nghiên cứu và học tập.

Câu hỏi thường gặp

  1. Vách barrette là gì và tại sao quan trọng trong thi công tầng hầm?
    Vách barrette là vách chắn bê tông cốt thép khoan nhồi có tiết diện lớn, dùng để giữ đất và nước trong thi công tầng hầm sâu. Nó đảm bảo an toàn kết cấu và hạn chế biến dạng công trình lân cận.

  2. Chuyển vị ngang của vách barrette được kiểm soát như thế nào?
    Thông qua thiết kế độ dày vách phù hợp, lựa chọn phương pháp thi công semi-topdown và sử dụng thiết bị quan trắc inclinometer để theo dõi biến dạng trong quá trình thi công.

  3. Mô hình Hardening Soil có ưu điểm gì so với Morh-Coulomb?
    Mô hình Hardening Soil mô phỏng chính xác hơn tính phi tuyến và biến dạng dẻo của đất nền, giúp dự báo chuyển vị và ứng suất thực tế tốt hơn, đặc biệt trong điều kiện đất yếu và tải trọng lớn.

  4. Phương pháp semi-topdown khác gì so với topdown truyền thống?
    Semi-topdown kết hợp thi công từ trên xuống và từ dưới lên, giúp kiểm soát áp lực đất và nước tốt hơn, giảm chuyển vị ngang vách và tăng độ an toàn thi công.

  5. Làm thế nào để lựa chọn độ dày vách barrette phù hợp?
    Dựa trên chiều sâu tầng hầm, đặc tính đất nền và kết quả mô phỏng chuyển vị ngang, độ dày vách được điều chỉnh sao cho chuyển vị không vượt quá giới hạn cho phép, thường từ 200 mm đến 1200 mm.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định rõ mối quan hệ giữa chuyển vị ngang vách barrette với độ dày và chiều sâu vách trong thi công tầng hầm sâu tại Quận 3, TP. HCM.
  • Mô hình Hardening Soil cho kết quả mô phỏng chính xác hơn so với mô hình Morh-Coulomb truyền thống.
  • Phương pháp thi công semi-topdown giúp giảm chuyển vị ngang vách hiệu quả, nâng cao an toàn thi công.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế và thi công cụ thể nhằm kiểm soát chuyển vị ngang, đảm bảo an toàn và tiết kiệm chi phí.
  • Khuyến nghị áp dụng kết quả nghiên cứu trong thiết kế và thi công các công trình tầng hầm tại TP. HCM và các khu vực có điều kiện địa chất tương tự.

Next steps: Triển khai áp dụng mô hình Hardening Soil trong các dự án thực tế, mở rộng nghiên cứu sang các khu vực khác và phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế vách barrette.

Call to action: Các kỹ sư, nhà thầu và chủ đầu tư nên tích cực áp dụng các kết quả và khuyến nghị từ nghiên cứu để nâng cao chất lượng và an toàn công trình xây dựng ngầm.