Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng tại Việt Nam, đặc biệt là tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, nhu cầu xây dựng các công trình ngầm như tầng hầm ngày càng tăng cao. Theo ước tính, việc đào sâu hố móng để xây dựng các tầng hầm có độ sâu khoảng 10 mét trở lên đang trở thành xu hướng phổ biến nhằm tận dụng không gian dưới mặt đất. Tuy nhiên, vấn đề ổn định thành hố đào sâu luôn là thách thức lớn đối với các kỹ sư xây dựng, bởi sự không ổn định có thể gây ra sụt lún, ảnh hưởng đến các công trình lân cận và an toàn thi công.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu giải pháp ổn định hố đào sâu bằng phương pháp Soil Nailing, áp dụng cho công trình Bệnh viện Đại học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh với độ sâu đào 10m. Mục tiêu chính là đánh giá hiệu quả của Soil Nailing trong việc kiểm soát chuyển vị ngang cực đại, phát triển lực kéo trong các thanh neo, cũng như xác định mặt phá hoại của khối đất. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích lý thuyết, mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 8.5 và chương trình Snail, đồng thời so sánh kết quả để lựa chọn phương pháp mô phỏng phù hợp nhất.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công các công trình đào sâu tại Việt Nam, góp phần nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế trong xây dựng hạ tầng đô thị. Các chỉ số như chuyển vị ngang, lực kéo neo và hệ số an toàn được phân tích chi tiết nhằm đảm bảo các tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn thi công.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai khung lý thuyết chính: lý thuyết Soil Nailing và lý thuyết tính toán áp lực đất lên tường chắn hố đào.

  1. Lý thuyết Soil Nailing: Soil Nailing là phương pháp sử dụng các thanh neo thép (nail) cắm vào khối đất để gia cố và ổn định mái dốc hoặc thành hố đào. Các thanh neo này được bọc vữa và liên kết với tường bê tông phun (shotcrete) tạo thành hệ thống chịu lực. Lực kéo trong các thanh neo được phân bố theo chiều sâu, tăng dần gần đáy hố đào. Các trạng thái giới hạn được xem xét gồm: phá hoại bên ngoài vùng có soil nailing, phá hoại bên trong vùng soil nailing, và phá hoại tường shotcrete. Hệ số chống kéo p của soil nailing được tính dựa trên đặc tính cơ lý của đất và kích thước neo.

  2. Lý thuyết áp lực đất: Áp lực đất tác động lên tường chắn được phân thành áp lực tĩnh (Eo), áp lực chủ động (Ea) và áp lực bị động (Ep). Các phương pháp tính toán áp lực đất dựa trên lý thuyết Coulomb và Rankine, kết hợp với các mô hình mặt trượt giả định như mặt phẳng, parabol, vòng cung trượt để xác định hệ số an toàn chống trượt tổng thể, chống trượt trồi đáy hố đào. Phương pháp khả năng chịu tải của Terzaghi và các phương pháp vòng cung trượt được áp dụng để phân tích ổn định đáy hố đào.

Các khái niệm chính bao gồm: hệ số an toàn tổng thể (FS), lực kéo thiết kế lớn nhất của soil nailing (Tmax), tiết diện neo cần thiết, áp lực đất chủ động và bị động, chuyển vị ngang cực đại của tường soil nailing.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu nghiên cứu bao gồm số liệu địa chất, cơ lý đất nền và thông số kỹ thuật của công trình Bệnh viện Đại học Y Dược Thành phố Hồ Chí Minh. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ mặt cắt hố đào sâu 10m tại công trình, với các thông số đất nền được xác định qua thí nghiệm nén ba trục, nén hơi và CPT.

Phương pháp phân tích chính là mô phỏng số bằng phần mềm Plaxis 8.5 sử dụng mô hình đất Hardening Soil và chương trình Snail chuyên dụng cho soil nailing. Các mô hình được xây dựng dựa trên các thông số cơ lý đất, kích thước và bố trí neo, chiều dày tường shotcrete. Quá trình nghiên cứu diễn ra trong khoảng thời gian từ tháng 1 đến tháng 6 năm 2012, bao gồm thu thập dữ liệu, mô phỏng, phân tích kết quả và so sánh.

Phương pháp chọn mẫu là lựa chọn công trình thực tế có đặc điểm điển hình về địa chất và quy mô hố đào sâu, nhằm đảm bảo tính đại diện và khả năng áp dụng kết quả nghiên cứu cho các công trình tương tự. Phân tích kết quả tập trung vào các chỉ tiêu chuyển vị ngang cực đại, lực kéo neo, mặt phá hoại và hệ số an toàn tổng thể.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chuyển vị ngang cực đại của tường soil nailing: Kết quả mô phỏng bằng Plaxis cho thấy chuyển vị ngang cực đại tại mặt ngoài tường đạt khoảng 15 mm, trong khi chương trình Snail cho giá trị khoảng 12 mm. Sự khác biệt này phản ánh mức độ chính xác và khả năng mô phỏng các điều kiện thực tế của từng phần mềm.

  2. Phân bố lực kéo trong các thanh neo: Lực kéo lớn nhất tập trung ở các neo gần đáy hố đào, đạt giá trị khoảng 120 kN theo Plaxis và 110 kN theo Snail. Lực kéo giảm dần theo chiều cao, phù hợp với lý thuyết phân bố lực trong soil nailing.

  3. Hệ số an toàn tổng thể: Phân tích ổn định tổng thể cho thấy hệ số an toàn FS dao động từ 1.3 đến 1.5 tùy theo phương pháp tính, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật về an toàn trong thi công hố đào sâu.

  4. Mặt phá hoại và trạng thái đất: Mô phỏng xác định mặt phá hoại dạng vòng cung trượt tại đáy hố đào, phù hợp với phương pháp vòng cung trượt truyền thống. Đất nền có đặc tính dẻo và sức kháng cắt không thoát nước trung bình khoảng 25 kPa, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng ổn định của hố đào.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của sự khác biệt giữa kết quả Plaxis và Snail chủ yếu do mô hình đất và giả thiết về tương tác soil nailing khác nhau. Plaxis sử dụng mô hình Hardening Soil với khả năng mô phỏng biến dạng phi tuyến và thoát nước, trong khi Snail tập trung vào phân tích lực kéo neo và chuyển vị dựa trên lý thuyết tuyến tính. Kết quả cho thấy Plaxis phù hợp hơn với các công trình có điều kiện đất phức tạp và yêu cầu phân tích biến dạng chi tiết.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả chuyển vị và lực kéo neo tương đương với các công trình đào sâu tại Pháp và Mỹ, chứng tỏ tính khả thi của giải pháp Soil Nailing tại điều kiện địa chất Việt Nam. Hệ số an toàn đạt mức trên 1.3 cho thấy giải pháp này đảm bảo an toàn thi công và vận hành công trình.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố lực kéo theo chiều sâu neo, biểu đồ chuyển vị ngang theo chiều cao tường và bảng tổng hợp hệ số an toàn theo các phương pháp tính toán. Những biểu đồ này giúp trực quan hóa hiệu quả của Soil Nailing và hỗ trợ việc lựa chọn phần mềm mô phỏng phù hợp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường giám sát chuyển vị trong thi công: Áp dụng hệ thống quan trắc chuyển vị tường soil nailing theo thời gian thực để kiểm soát chuyển vị ngang, đảm bảo không vượt quá giới hạn cho phép (khoảng 20 mm). Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công, trong vòng 6 tháng đầu thi công.

  2. Sử dụng phần mềm mô phỏng Plaxis cho thiết kế chi tiết: Do Plaxis mô phỏng chính xác hơn các điều kiện đất phức tạp, nên khuyến nghị sử dụng phần mềm này trong giai đoạn thiết kế và đánh giá ổn định hố đào. Chủ thể là các kỹ sư thiết kế, áp dụng cho các công trình đào sâu từ 8m trở lên.

  3. Tối ưu hóa bố trí và kích thước soil nailing: Dựa trên kết quả lực kéo neo, cần điều chỉnh khoảng cách và chiều dài neo để giảm lực kéo cực đại, tăng tuổi thọ và hiệu quả gia cố. Thời gian thực hiện trong giai đoạn thiết kế, chủ thể là đơn vị tư vấn thiết kế.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực thi công Soil Nailing: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về kỹ thuật thi công và kiểm soát chất lượng soil nailing cho đội ngũ kỹ thuật thi công nhằm giảm thiểu sai sót và rủi ro. Chủ thể là các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng, thực hiện liên tục hàng năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp mô phỏng chi tiết giúp kỹ sư lựa chọn giải pháp ổn định hố đào phù hợp, tối ưu chi phí và đảm bảo an toàn.

  2. Nhà thầu thi công xây dựng: Tham khảo quy trình thi công, kiểm soát chuyển vị và bố trí soil nailing để nâng cao hiệu quả thi công và giảm thiểu rủi ro trong quá trình đào hố móng sâu.

  3. Giảng viên và sinh viên ngành Địa kỹ thuật xây dựng: Tài liệu nghiên cứu thực tiễn, kết hợp lý thuyết và mô phỏng giúp nâng cao kiến thức chuyên môn và ứng dụng trong giảng dạy, học tập.

  4. Cơ quan quản lý xây dựng và quy hoạch đô thị: Cung cấp thông tin khoa học để đánh giá, phê duyệt các dự án xây dựng có đào sâu hố móng, đảm bảo an toàn công trình và môi trường xung quanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Soil Nailing là gì và tại sao được sử dụng trong ổn định hố đào?
    Soil Nailing là phương pháp gia cố đất bằng cách cắm các thanh neo thép vào khối đất để tạo thành hệ thống chịu lực, giúp ổn định mái dốc hoặc thành hố đào. Phương pháp này được sử dụng vì thi công nhanh, chi phí hợp lý và hiệu quả cao trong điều kiện đất mềm hoặc đất dẻo.

  2. Phần mềm Plaxis và Snail khác nhau như thế nào trong mô phỏng soil nailing?
    Plaxis sử dụng mô hình phần tử hữu hạn với khả năng mô phỏng biến dạng phi tuyến và thoát nước, phù hợp với điều kiện đất phức tạp. Snail tập trung vào phân tích lực kéo neo và chuyển vị dựa trên lý thuyết tuyến tính, thích hợp cho các phân tích nhanh và đơn giản hơn.

  3. Hệ số an toàn tối thiểu cần đạt khi thiết kế hố đào sâu là bao nhiêu?
    Theo nghiên cứu, hệ số an toàn tổng thể FS nên đạt tối thiểu từ 1.3 trở lên để đảm bảo an toàn thi công và vận hành công trình, tùy thuộc vào điều kiện địa chất và yêu cầu kỹ thuật cụ thể.

  4. Làm thế nào để kiểm soát chuyển vị tường soil nailing trong thi công?
    Cần thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị theo thời gian thực, sử dụng các cảm biến đo chuyển vị ngang và dọc, đồng thời thực hiện kiểm tra định kỳ để phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường và điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời.

  5. Giải pháp Soil Nailing có phù hợp với mọi loại đất không?
    Soil Nailing phù hợp nhất với đất dẻo, đất cát pha và đất có đặc tính cơ lý trung bình đến tốt. Đối với đất sét yếu hoặc đất có nhiều nước ngầm, cần kết hợp thêm các biện pháp thoát nước và gia cố bổ sung để đảm bảo hiệu quả.

Kết luận

  • Soil Nailing là giải pháp hiệu quả và phù hợp để ổn định hố đào sâu 10m tại Thành phố Hồ Chí Minh, đáp ứng yêu cầu kỹ thuật và an toàn thi công.
  • Mô phỏng bằng Plaxis 8.5 cho kết quả chính xác hơn so với chương trình Snail, đặc biệt trong điều kiện đất phức tạp.
  • Hệ số an toàn tổng thể đạt từ 1.3 đến 1.5, đảm bảo ổn định tổng thể và chống trượt trồi đáy hố đào.
  • Đề xuất áp dụng hệ thống quan trắc chuyển vị và tối ưu hóa thiết kế soil nailing để nâng cao hiệu quả thi công.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng mô hình Plaxis trong thiết kế thực tế và đào tạo kỹ thuật thi công Soil Nailing cho đội ngũ thi công.

Quý độc giả và các chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng hạ tầng được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu này nhằm nâng cao chất lượng và an toàn cho các công trình đào sâu trong tương lai.