Tổng quan nghiên cứu

Việc phát triển các công trình cao tầng tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh ngày càng đòi hỏi các giải pháp kỹ thuật tiên tiến để đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công, đặc biệt là trong các hố đào sâu phục vụ xây dựng tầng hầm. Theo ước tính, chiều sâu đào hố móng các công trình cao tầng thường vượt quá 5m, được phân loại là hố đào sâu, gây ra nhiều thách thức về ổn định thành vách và ảnh hưởng đến các công trình lân cận. Một trong những vấn đề nổi bật là nguy cơ mất ổn định tường vây bê tông cốt thép (diaphragm wall - DW) khi thi công tường vây mới sát cạnh tường vây hiện hữu, với lớp đất mỏng chỉ khoảng 0,5m giữa hai tường.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là gia tăng độ ổn định tường vây thành hồ đào sâu bằng giải pháp phun vữa xi măng áp lực cao (jet grouting), nhằm ngăn ngừa nguy cơ sạt lở thành hố đào và giảm chuyển vị ngang của tường trong quá trình thi công. Nghiên cứu tập trung vào công trình Saigon Center, mô phỏng và phân tích sự biến dạng, chuyển vị tường vây qua các giai đoạn thi công, đồng thời đánh giá hệ số an toàn tổng thể và khả năng chịu lực của tường vây được gia cố bằng jet grouting.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích kỹ thuật tại công trình Saigon Center giai đoạn 2 và 3, sử dụng phần mềm mô phỏng địa kỹ thuật Plaxis 2D, với dữ liệu địa chất thực tế và các thông số vật liệu đặc trưng. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và thi công các công trình hố đào sâu trong điều kiện quỹ đất hạn hẹp, mật độ xây dựng cao, góp phần nâng cao an toàn thi công và bảo vệ công trình lân cận.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết Mohr – Rankine về áp lực đất: Phân tích áp lực chủ động và bị động tác dụng lên tường vây, với các công thức tính áp lực đất theo độ sâu và đặc tính đất nền, bao gồm đất dính và đất rời. Lý thuyết này giúp xác định áp lực đất thay đổi theo chuyển vị tường, từ đó đánh giá ổn định kết cấu chắn giữ.

  • Mô hình biến dạng và ổn định tường vây: Kiểm tra các trạng thái ổn định tổng thể, chống trượt, chống nghiêng lật của tường vây, dựa trên các hệ số an toàn tiêu chuẩn (FS > 1.2 cho ổn định tổng thể, FS > 1.0 cho chống trượt, FS > 1.4 cho chống nghiêng lật). Các tính toán này được thực hiện theo trạng thái giới hạn biến dạng và ứng suất.

  • Mô hình đất nền Hardening Soil (HS): Mô hình đất nền nâng cao mô phỏng ứng xử đàn hồi dẻo của đất, bao gồm các thông số modulus đàn hồi, modulus biến dạng tiếp tuyến, và các đặc tính cơ học khác. Mô hình này được áp dụng trong phần mềm Plaxis để mô phỏng chính xác biến dạng và ứng suất trong quá trình thi công.

  • Nguyên lý công nghệ phun vữa xi măng áp lực cao (jet grouting): Giải pháp gia cố đất nền bằng cách phun vữa xi măng áp lực cao để tạo thành các trụ xi măng – đất có cường độ cao, tăng khả năng chịu lực và ổn định đất nền giữa các tường vây. Công nghệ này dựa trên nguyên lý cắt đất bằng dòng nước áp lực cao kết hợp trộn vữa, với các hệ thống phun đơn, phun đôi và phun ba dòng.

Các khái niệm chính bao gồm: áp lực đất chủ động và bị động, chuyển vị tường vây, moment uốn tường, hệ số an toàn tổng thể, modulus đàn hồi đất, và các thông số kỹ thuật của jet grouting như áp lực phun, lưu lượng vữa, đường kính trụ xi măng – đất.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Dữ liệu địa chất và vật liệu được thu thập từ công trình Saigon Center, bao gồm các chỉ tiêu cơ lý đất nền, thông số tường vây bê tông cốt thép, hệ giằng chống hố đào, và các thông số kỹ thuật của hệ thống jet grouting.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm Plaxis 2D phiên bản 8.5 để mô phỏng quá trình thi công hố đào sâu với hai trường hợp: không sử dụng và có sử dụng giải pháp gia cố jet grouting. Phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng để phân tích biến dạng, chuyển vị tường vây, áp lực đất tác dụng và moment uốn qua các giai đoạn thi công.

  • Cỡ mẫu và timeline nghiên cứu: Mô hình số được xây dựng dựa trên kích thước thực tế của công trình Saigon Center, với chiều sâu đào lên đến khoảng 20m. Quá trình nghiên cứu kéo dài từ tháng 7/2012 đến tháng 6/2013, bao gồm thu thập số liệu, mô phỏng, phân tích kết quả và đề xuất giải pháp.

  • Kiểm tra và đánh giá: Các kết quả mô phỏng được so sánh với các tiêu chuẩn kỹ thuật và yêu cầu thiết kế về chuyển vị, moment uốn, và hệ số an toàn. Đồng thời, luận văn đánh giá hiệu quả của giải pháp jet grouting trong việc giảm chuyển vị và tăng độ ổn định tường vây.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Giảm chuyển vị ngang tường vây: Khi sử dụng giải pháp phun vữa xi măng áp lực cao để gia cố lớp đất mỏng 0,5m giữa tường vây mới và tường vây cũ, chuyển vị ngang lớn nhất của tường giảm xuống còn 53mm, so với trường hợp không gia cố có chuyển vị lớn hơn đáng kể. Chuyển vị ngang tại đỉnh tường cũng được kiểm soát ở mức 0,77mm, đảm bảo an toàn cho công trình.

  2. Hệ số an toàn tổng thể cao: Hệ số an toàn tổng thể (FS_min) của hệ tường vây được gia cố đạt giá trị 3, vượt xa mức yêu cầu tối thiểu 1.2, chứng tỏ sự ổn định vững chắc của kết cấu trong quá trình thi công hố đào sâu.

  3. Moment uốn tường thỏa mãn điều kiện chịu lực: Moment uốn lớn nhất đo được là 1672 kNm/m, nằm trong giới hạn chịu lực cho phép của tường vây bê tông cốt thép, đảm bảo kết cấu không bị phá hoại do ứng suất uốn.

  4. Hiệu quả của công nghệ jet grouting: Việc áp dụng công nghệ jet grouting không chỉ gia cố đất nền mà còn làm giảm nguy cơ sạt lở thành hố đào, hạn chế biến dạng và chuyển vị tường vây, đồng thời giảm thiểu ảnh hưởng đến các công trình lân cận.

Thảo luận kết quả

Kết quả mô phỏng cho thấy rõ ràng sự khác biệt về chuyển vị và ổn định tường vây khi áp dụng giải pháp jet grouting. Nguyên nhân chính là do lớp đất mỏng giữa hai tường vây được gia cố bằng trụ xi măng – đất có cường độ cao, làm tăng khả năng chịu lực và giảm biến dạng đất nền. So với các nghiên cứu trước đây về gia cố tường vây bằng cọc xi măng đất truyền thống, giải pháp jet grouting cho phép thi công trong không gian hẹp, giảm diện tích đất sử dụng và tăng hiệu quả gia cố.

So sánh với các công trình tương tự tại TP. Hồ Chí Minh, nơi thường xảy ra các sự cố mất ổn định hố đào sâu do chuyển vị tường vây lớn và áp lực nước ngầm cao, giải pháp jet grouting thể hiện tính khả thi và ưu việt trong việc kiểm soát ổn định thành hố đào. Các biểu đồ chuyển vị ngang và moment uốn qua các giai đoạn thi công được trình bày chi tiết trong luận văn, minh họa sự giảm đáng kể biến dạng khi sử dụng biện pháp gia cố.

Ngoài ra, việc sử dụng mô hình Hardening Soil trong phần mềm Plaxis giúp mô phỏng chính xác hơn ứng xử đất nền, phản ánh đúng đặc tính biến dạng đàn hồi dẻo và ảnh hưởng của áp lực nước ngầm. Điều này góp phần nâng cao độ tin cậy của kết quả phân tích.

Tuy nhiên, do công trình chưa hoàn thành thi công nên chưa có số liệu quan trắc thực tế để so sánh trực tiếp, đây là hạn chế cần được khắc phục trong các nghiên cứu tiếp theo.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi giải pháp jet grouting trong thi công hố đào sâu: Khuyến nghị các chủ đầu tư và nhà thầu sử dụng công nghệ phun vữa xi măng áp lực cao để gia cố lớp đất mỏng giữa các tường vây, đặc biệt trong các công trình xây dựng kế sát nhau tại đô thị lớn nhằm tăng độ ổn định và giảm rủi ro sạt lở.

  2. Tối ưu thiết kế và vị trí trụ jet grouting: Đề xuất nghiên cứu chi tiết vị trí, kích thước và mật độ trụ xi măng – đất phù hợp với điều kiện địa chất cụ thể để đạt hiệu quả gia cố tối ưu, giảm chi phí và thời gian thi công. Thời gian thực hiện trong giai đoạn thiết kế và chuẩn bị thi công.

  3. Tăng cường giám sát và kiểm soát chất lượng thi công: Đề nghị áp dụng các biện pháp kiểm soát chất lượng vữa phun, áp lực phun, tốc độ rút cần và vòng quay đầu phun theo tiêu chuẩn kỹ thuật để đảm bảo chất lượng trụ xi măng – đất, tránh hiện tượng tắc nghẽn hoặc tạo đất bùn trào lên gây ảnh hưởng môi trường.

  4. Phát triển hệ thống quan trắc chuyển vị và áp lực đất thực tế: Khuyến khích lắp đặt hệ thống quan trắc chuyển vị tường vây và áp lực đất trong quá trình thi công để theo dõi, đánh giá hiệu quả biện pháp gia cố, từ đó điều chỉnh kịp thời các thông số thi công nhằm đảm bảo an toàn công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán chi tiết về áp lực đất, chuyển vị tường vây và công nghệ jet grouting, giúp kỹ sư thiết kế lựa chọn giải pháp gia cố phù hợp cho các công trình hố đào sâu.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm và hố đào sâu: Các thông số kỹ thuật, quy trình thi công và kiểm soát chất lượng jet grouting được trình bày rõ ràng, hỗ trợ nhà thầu tổ chức thi công hiệu quả, giảm thiểu rủi ro và sự cố trong quá trình thi công.

  3. Chuyên gia quản lý dự án xây dựng: Hiểu rõ về các rủi ro kỹ thuật và giải pháp gia cố tường vây giúp quản lý dự án đánh giá đúng tiến độ, chi phí và an toàn thi công, từ đó đưa ra các quyết định quản lý phù hợp.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng, địa kỹ thuật: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng phần mềm mô phỏng Plaxis, mô hình đất nền Hardening Soil và công nghệ jet grouting trong thực tế, phục vụ cho nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Jet grouting là gì và tại sao lại được sử dụng trong gia cố tường vây?
    Jet grouting là công nghệ phun vữa xi măng áp lực cao để tạo trụ xi măng – đất gia cố đất nền. Phương pháp này giúp tăng cường độ chịu lực và ổn định đất giữa các tường vây, giảm chuyển vị và nguy cơ sạt lở trong hố đào sâu, đặc biệt hiệu quả trong không gian chật hẹp.

  2. Giải pháp jet grouting có ưu điểm gì so với các phương pháp gia cố truyền thống?
    Jet grouting có thể thi công trong điều kiện không gian hạn chế, ít gây rung động và tiếng ồn, tạo trụ xi măng – đất có cường độ cao, kiểm soát được chất lượng và kích thước trụ, đồng thời giảm diện tích đất sử dụng so với cọc xi măng đất truyền thống.

  3. Phần mềm Plaxis 2D được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu này?
    Plaxis 2D là phần mềm mô phỏng địa kỹ thuật sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để phân tích biến dạng, ứng suất và ổn định đất nền và kết cấu tường vây qua các giai đoạn thi công. Mô hình Hardening Soil trong Plaxis giúp mô phỏng chính xác đặc tính đất nền.

  4. Các thông số kỹ thuật quan trọng trong thi công jet grouting là gì?
    Các thông số chính gồm áp lực phun (20-60 MPa), lưu lượng vữa, tốc độ rút cần (0,3-1 m/phút), tốc độ quay đầu phun (20-100 vòng/phút), tỷ lệ nước/xi măng trong vữa, và đường kính trụ xi măng – đất. Việc kiểm soát các thông số này đảm bảo chất lượng trụ và hiệu quả gia cố.

  5. Giải pháp jet grouting có thể áp dụng cho những loại đất nào?
    Jet grouting có thể áp dụng cho nhiều loại đất khác nhau, từ đất rời, đất sét đến đất có tính dính cao. Tuy nhiên, các thông số thi công và thành phần vữa cần được điều chỉnh phù hợp với đặc tính từng loại đất để đạt hiệu quả tối ưu.

Kết luận

  • Giải pháp phun vữa xi măng áp lực cao (jet grouting) hiệu quả trong việc gia tăng độ ổn định tường vây bê tông cốt thép cho hố đào sâu, giảm chuyển vị ngang tường xuống mức an toàn (53mm).

  • Hệ số an toàn tổng thể của hệ tường vây gia cố đạt 3, vượt xa yêu cầu kỹ thuật, đảm bảo an toàn thi công và khai thác công trình.

  • Moment uốn tường vây được kiểm soát trong giới hạn chịu lực cho phép, bảo đảm kết cấu không bị phá hoại do ứng suất uốn.

  • Nghiên cứu sử dụng mô hình Hardening Soil và phần mềm Plaxis 2D mô phỏng chính xác quá trình thi công và biến dạng tường vây, làm cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công thực tế.

  • Đề xuất áp dụng rộng rãi công nghệ jet grouting trong các công trình hố đào sâu tại đô thị lớn, đồng thời tăng cường giám sát và kiểm soát chất lượng thi công để đảm bảo hiệu quả và an toàn.

Next steps: Triển khai quan trắc thực tế tại công trình Saigon Center sau thi công để so sánh và hiệu chỉnh mô hình, đồng thời nghiên cứu mở rộng ứng dụng jet grouting cho các công trình có điều kiện địa chất phức tạp hơn.

Call to action: Các kỹ sư, nhà thầu và quản lý dự án được khuyến khích áp dụng và nghiên cứu sâu hơn về công nghệ jet grouting nhằm nâng cao chất lượng và an toàn thi công hố đào sâu trong điều kiện đô thị hiện đại.