Tổng quan nghiên cứu

Sự thay đổi mực nước ngầm là một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến sức chịu tải của cọc trong các công trình xây dựng nền móng, đặc biệt tại các khu vực có địa chất phức tạp như Quận 2, TP. Hồ Chí Minh. Theo kết quả quan trắc thực tế từ tháng 10/2019 đến tháng 6/2020, mực nước ngầm tại khu vực này dao động khoảng 666 mm, với cao độ mực nước ngầm so với đỉnh giếng thay đổi từ -2492 mm đến -3158 mm. Sự biến động này không chỉ theo mùa mà còn chịu ảnh hưởng bởi các yếu tố thủy văn như thủy triều sông Sài Gòn. Mục tiêu nghiên cứu nhằm quan trắc sự thay đổi mực nước ngầm theo mùa và sau thời gian ngừng thi công, đồng thời phân tích ảnh hưởng của sự dâng mực nước ngầm đến sức chịu tải của cọc trong nền đất bùn sét đặc trưng của khu vực. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công trình xây dựng tại Quận 2, với dữ liệu thu thập trong khoảng thời gian từ cuối năm 2019 đến giữa năm 2020. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp số liệu thực nghiệm và mô hình phân tích giúp thiết kế móng cọc an toàn, hiệu quả, đồng thời góp phần nâng cao hiểu biết về tác động của biến động mực nước ngầm đến kết cấu nền móng trong điều kiện địa chất đặc thù.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình tính toán sức chịu tải cọc trong nền đất có sự biến đổi mực nước ngầm. Hai lý thuyết chính được áp dụng gồm:

  1. Cơ chế hình thành sức chịu tải dọc trục của cọc: Khi cọc chịu tải trọng, ma sát hông và sức kháng mũi là hai thành phần chính tạo nên sức chịu tải. Sự thay đổi mực nước ngầm ảnh hưởng đến áp lực nước lỗ rỗng, từ đó làm biến đổi ứng suất hữu hiệu trong đất, ảnh hưởng trực tiếp đến sức chịu tải của cọc.

  2. Lý thuyết tính toán sức chịu tải theo chỉ tiêu cơ lý và cường độ đất nền: Sử dụng các công thức tính sức chịu tải cực hạn và sức chịu tải cho phép dựa trên các chỉ tiêu cơ lý như cường độ sức kháng của đất dưới mũi cọc, chu vi tiết diện cọc, và các hệ số an toàn. Các phương pháp tính dựa trên kết quả thí nghiệm xuyên tĩnh, xuyên tiêu chuẩn cũng được tổng hợp để lựa chọn giá trị thiết kế phù hợp.

Các khái niệm chính bao gồm: áp lực nước lỗ rỗng, ứng suất hữu hiệu, sức kháng mũi cọc, ma sát hông cọc, áp lực đẩy nổi, và biến động mực nước ngầm theo mùa.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập thông qua hai phương pháp quan trắc thực nghiệm:

  • Phương pháp Standpipe: Lắp đặt giếng quan trắc với ống lọc và ống chống, sử dụng thước đo mực nước ngầm Yamayo WL50 để xác định cao độ mực nước ngầm tự nhiên trong đất bùn sét. Thời gian quan trắc kéo dài từ tháng 10/2019 đến tháng 6/2020, ghi nhận sự dao động mực nước ngầm theo mùa.

  • Phương pháp Piezometer: Sử dụng đầu đo áp lực nước lỗ rỗng GK 4500S của hãng Geokon – USA để đo trực tiếp áp lực nước trong đất tại các vị trí tầng hầm công trình. Dữ liệu được ghi nhận hàng ngày trong khoảng thời gian từ tháng 9/2019 đến tháng 3/2020.

Phân tích dữ liệu được thực hiện bằng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn Plaxis 3D, mô hình hóa sự thay đổi sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc khi mực nước ngầm biến động. Cỡ mẫu bao gồm các vị trí quan trắc tại công trình thực tế ở Quận 2 với độ sâu lắp đặt đầu đo khoảng -8.2 m so với sàn trệt. Phương pháp chọn mẫu dựa trên vị trí đại diện cho điều kiện địa chất và thủy văn đặc trưng của khu vực. Timeline nghiên cứu kéo dài từ cuối năm 2019 đến giữa năm 2020, đảm bảo thu thập đủ dữ liệu theo mùa và sau thời gian ngừng thi công.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Dao động mực nước ngầm theo mùa: Kết quả quan trắc bằng phương pháp Standpipe cho thấy mực nước ngầm tại Quận 2 dao động Δh = 666 mm trong giai đoạn từ tháng 10/2019 đến tháng 6/2020, với cao độ mực nước ngầm thay đổi từ -2492 mm đến -3158 mm so với đỉnh giếng. Sự biến động này phản ánh rõ ràng ảnh hưởng của mùa mưa và mùa khô.

  2. Tăng áp lực nước lỗ rỗng theo thời gian: Dữ liệu từ đầu đo Piezometer cho thấy áp lực nước lỗ rỗng trong sàn tầng hầm có xu hướng tăng dần trong cùng khoảng thời gian quan trắc, cân bằng với áp lực thủy tĩnh của mực nước ngầm. Điều này chứng tỏ sự phục hồi mực nước ngầm sau thời gian hạ thấp do thi công.

  3. Ảnh hưởng của mực nước ngầm đến sức chịu tải cọc: Phân tích mô phỏng Plaxis 3D cho thấy khi mực nước ngầm tăng, sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc giảm rõ rệt. Cụ thể, sức chịu tải cọc giảm trung bình từ 10% đến 20% khi áp lực nước lỗ rỗng tăng làm giảm ứng suất hữu hiệu trong đất nền.

  4. Sự thay đổi các chỉ tiêu cơ lý đất nền: Sự biến động mực nước ngầm làm thay đổi các chỉ tiêu cơ lý như cường độ sức kháng đất dưới mũi cọc và ma sát hông cọc, ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực của cọc. Kết quả thí nghiệm nén tĩnh và mô phỏng cho thấy độ lún cọc tăng khi mực nước ngầm dâng cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm sức chịu tải cọc khi mực nước ngầm tăng là do áp lực nước lỗ rỗng tăng làm giảm ứng suất hữu hiệu trong đất, từ đó giảm ma sát hông và sức kháng mũi cọc. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây tại London và Tokyo, nơi cũng ghi nhận sự giảm sức chịu tải cọc khi mực nước ngầm dâng cao. Việc sử dụng phần mềm Plaxis 3D giúp mô phỏng chính xác hơn các điều kiện thực tế, đồng thời cung cấp biểu đồ quan hệ tải trọng - độ lún cọc minh họa rõ ràng tác động của mực nước ngầm đến sức chịu tải. So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả tại Quận 2 có mức độ biến động tương tự, tuy nhiên đặc thù địa chất bùn sét làm tăng tính phức tạp trong phân tích. Ý nghĩa của nghiên cứu là cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế móng cọc phù hợp với điều kiện biến động mực nước ngầm, tránh rủi ro mất an toàn và lãng phí vật liệu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Thực hiện quan trắc mực nước ngầm định kỳ: Đề nghị các chủ đầu tư và đơn vị thi công thiết lập hệ thống quan trắc mực nước ngầm bằng giếng Standpipe và Piezometer tại các công trình xây dựng nền móng, đặc biệt ở khu vực có địa chất bùn sét như Quận 2. Mục tiêu là theo dõi biến động mực nước ngầm theo mùa và sau thi công, thời gian thực hiện liên tục trong suốt vòng đời dự án.

  2. Cập nhật thiết kế móng cọc theo biến động mực nước ngầm: Các kỹ sư thiết kế cần sử dụng dữ liệu quan trắc thực tế kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn để điều chỉnh sức chịu tải cọc, đảm bảo an toàn kết cấu khi mực nước ngầm thay đổi. Thời gian áp dụng ngay từ giai đoạn thiết kế và điều chỉnh trong quá trình thi công.

  3. Áp dụng phần mềm mô phỏng Plaxis 3D trong phân tích nền móng: Khuyến khích sử dụng phần mềm Plaxis 3D để mô phỏng ảnh hưởng của mực nước ngầm đến sức chịu tải cọc, giúp dự báo chính xác hơn các hiện tượng địa kỹ thuật phức tạp. Chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn thiết kế và nghiên cứu địa kỹ thuật.

  4. Xây dựng quy trình quản lý và khai thác nước ngầm hợp lý: Cơ quan quản lý địa phương cần phối hợp với các bên liên quan để kiểm soát khai thác nước ngầm, tránh hiện tượng hạ thấp hoặc dâng cao bất thường gây ảnh hưởng đến kết cấu công trình. Thời gian thực hiện theo kế hoạch quản lý tài nguyên nước dài hạn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Nghiên cứu cung cấp dữ liệu và mô hình phân tích giúp thiết kế móng cọc phù hợp với điều kiện biến động mực nước ngầm, nâng cao độ an toàn và hiệu quả công trình.

  2. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng: Hiểu rõ tác động của mực nước ngầm đến sức chịu tải cọc giúp quản lý thi công, điều chỉnh biện pháp thi công và giám sát chất lượng nền móng.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng, địa kỹ thuật: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về phương pháp quan trắc mực nước ngầm, phân tích ảnh hưởng đến sức chịu tải cọc, đồng thời cung cấp ví dụ thực tế tại TP. Hồ Chí Minh.

  4. Cơ quan quản lý tài nguyên nước và quy hoạch đô thị: Thông tin về biến động mực nước ngầm và ảnh hưởng đến công trình giúp xây dựng chính sách khai thác và quản lý nước ngầm hiệu quả, giảm thiểu rủi ro cho hạ tầng đô thị.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần quan trắc mực nước ngầm trong xây dựng móng cọc?
    Quan trắc mực nước ngầm giúp xác định biến động áp lực nước trong đất, từ đó đánh giá chính xác sức chịu tải của cọc. Ví dụ, tại Quận 2, mực nước ngầm dao động khoảng 666 mm theo mùa, ảnh hưởng trực tiếp đến kết cấu móng.

  2. Phương pháp Standpipe và Piezometer khác nhau như thế nào?
    Standpipe đo cao độ mực nước ngầm tự nhiên trong đất, còn Piezometer đo trực tiếp áp lực nước lỗ rỗng trong đất. Cả hai phương pháp kết hợp cung cấp dữ liệu toàn diện về biến động mực nước ngầm.

  3. Ảnh hưởng của mực nước ngầm tăng đến sức chịu tải cọc ra sao?
    Khi mực nước ngầm tăng, áp lực nước lỗ rỗng tăng làm giảm ứng suất hữu hiệu, dẫn đến giảm sức chịu tải cọc từ 10% đến 20% tùy điều kiện địa chất, đồng thời tăng độ lún cọc.

  4. Phần mềm Plaxis 3D được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    Plaxis 3D mô phỏng phần tử hữu hạn giúp phân tích sự thay đổi sức chịu tải cọc khi mực nước ngầm biến động, cho phép dự báo chính xác hơn và hỗ trợ thiết kế móng hiệu quả.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế thi công?
    Các đơn vị thi công và thiết kế cần cập nhật dữ liệu quan trắc mực nước ngầm liên tục, sử dụng mô hình phân tích để điều chỉnh thiết kế móng, đồng thời giám sát chặt chẽ trong quá trình thi công để đảm bảo an toàn.

Kết luận

  • Nghiên cứu đã xác định được dao động mực nước ngầm khoảng 666 mm tại Quận 2 trong giai đoạn quan trắc từ tháng 10/2019 đến tháng 6/2020.
  • Áp lực nước lỗ rỗng trong đất bùn sét tăng theo thời gian, cân bằng với áp lực thủy tĩnh của mực nước ngầm.
  • Sự dâng lên của mực nước ngầm làm giảm sức chịu tải của cọc đơn và nhóm cọc từ 10% đến 20%, đồng thời tăng độ lún cọc.
  • Phần mềm Plaxis 3D là công cụ hiệu quả để mô phỏng và phân tích ảnh hưởng của biến động mực nước ngầm đến sức chịu tải cọc.
  • Đề xuất thực hiện quan trắc định kỳ, cập nhật thiết kế móng theo biến động mực nước ngầm và quản lý khai thác nước ngầm hợp lý nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả công trình.

Tiếp theo, các nhà nghiên cứu và kỹ sư nên triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất, đồng thời mở rộng nghiên cứu tại các khu vực có điều kiện địa chất tương tự để hoàn thiện hơn cơ sở dữ liệu và phương pháp thiết kế nền móng. Hành động ngay hôm nay để bảo vệ và nâng cao chất lượng công trình xây dựng trong điều kiện biến đổi mực nước ngầm ngày càng phức tạp.