Tổng quan luận án

Tính cấp thiết và khoảng trống nghiên cứu

Trong quá trình đô thị hóa tại các thành phố lớn, nhu cầu khai thác không gian ngầm như tầng hầm kỹ thuật, trung tâm thương mại, bãi đậu xe ngầm, công trình giao thông và hệ thống thu gom - xử lý nước thải ngày càng gia tăng. Hố đào sâu (HĐS) là giải pháp kỹ thuật phổ biến để thực hiện các công trình ngầm này. Tại khu vực Thành phố Hồ Chí Minh (TP. HCM), các công trình hố đào sâu phần lớn được thi công xây chen trong đô thị, tiếp giáp với các khối nhà cao tầng và mạng lưới hạ tầng kỹ thuật hiện hữu. Do đó, việc kiểm soát chuyển vị ngang của tường chắn và độ lún mặt đất xung quanh hố đào là yêu cầu then chốt nhằm bảo đảm an toàn cho các công trình lân cận.

Về mặt địa chất công trình, khu vực TP. HCM nằm trên châu thổ sông Sài Gòn với cấu tạo gồm 6 lớp đất tự nhiên. Trong đó, lớp 1 và lớp 2 là tầng bùn sét và sét yếu có chiều dày lớn từ 20 m đến 30 m, đặc trưng bởi độ ẩm cao ($W = 75 \div 104%$), hệ số rỗng lớn ($e = 1{,}5 \div 2{,}5$), giới hạn chảy $W_L > 60%$ và sức chịu tải rất thấp.

Bản chất cơ học của quá trình thi công hố đào sâu là quá trình dỡ tải của nền đất: dỡ tải diễn ra khi khối đất trong hố móng được bốc dỡ ra ngoài, và gia tải lại diễn ra khi lắp đặt hệ thống thanh chống, sàn hoặc neo giữ. Quá trình này làm thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng của khối đất theo các lộ trình ứng suất rất đặc thù:

  • Vùng đất sau lưng tường chắn trải qua lộ trình giảm ứng suất ngang $\sigma_3$ trong khi ứng suất đứng $\sigma_1$ hầu như không đổi.
  • Vùng đất dưới đáy hố đào trải qua lộ trình giảm ứng suất đứng $\sigma_1$ trong khi ứng suất ngang $\sigma_3$ không đổi hoặc tăng nhẹ do chuyển dịch của tường.

Tuy nhiên, trong thực hành thiết kế hiện nay, các kỹ sư chủ yếu sử dụng số liệu thí nghiệm địa kỹ thuật truyền thống (thí nghiệm nén một trục hoặc nén ba trục thông thường với lộ trình tăng tải đứng) và áp dụng mô hình đàn hồi - dẻo lý tưởng Mohr – Coulomb (MC). Mô hình Mohr – Coulomb bộc lộ nhiều hạn chế lớn: không mô tả được quan hệ ứng xử phi tuyến của đất trước khi bị phá hoại, không tính toán chính xác sự phát triển của áp lực nước lỗ rỗng trong điều kiện không thoát nước, và thường dẫn đến kết quả dự báo chuyển vị ngang cũng như độ lún bề mặt sai lệch đáng kể so với thực tế quan trắc. Việc thiếu vắng các nghiên cứu thực nghiệm về lộ trình ứng suất dỡ tải và thiếu bộ thông số hiệu chỉnh cho các mô hình đàn dẻo phi tuyến tiên tiến (như mô hình Hardening Soil) trên nền đất yếu TP. HCM tạo ra một khoảng trống kỹ thuật lớn, có thể dẫn đến sự cố mất an toàn hoặc gây lãng phí kinh phí xây dựng.

Mục tiêu nghiên cứu

Luận án xác định 2 mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Làm sáng tỏ quy luật thay đổi các đặc trưng cơ lý (sức kháng cắt và mô đun biến dạng) của đất yếu TP. HCM theo các lộ trình ứng suất dỡ tải mô phỏng trạng thái ứng suất – biến dạng của vùng đất xung quanh hố đào trong tính toán chuyển vị và biến dạng công trình hố đào sâu.
  2. Đề xuất bộ thông số và mô hình nền phù hợp để tính toán công trình hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM), có xét đến quá trình dỡ tải của đất nền trong quá trình thi công đào đất.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

  • Đối tượng nghiên cứu: Trạng thái ứng suất – biến dạng của khối đất xung quanh vách hố đào và dưới đáy hố đào trong quá trình thi công dỡ tải.
  • Phạm vi không gian và địa tầng: Đất loại sét phân bố phổ biến ở khu vực TP. HCM ở độ sâu từ 0 m đến 30 m, tập trung vào 2 lớp chính là lớp bùn sét và lớp sét yếu.
  • Phạm vi thông số: Tập trung vào các đặc trưng cơ lý có ảnh hưởng chi phối đến chuyển vị và biến dạng trong thiết kế hố đào sâu, bao gồm sức kháng cắt ($c'$, $\varphi'$, $c_u$) và các mô đun biến dạng ($E_{50}$, $E_{ur}$, $E_{oed}$ cùng tham số mũ $m$).

Tổng quan tài liệu và vị trí của luận án

Các hướng nghiên cứu trước đây

Luận án đã tổng thuật hệ thống các công trình nghiên cứu trong và ngoài nước liên quan đến hố đào sâu, trạng thái ứng suất và mô phỏng số:

  1. Khái niệm và phân loại hố đào sâu:

    • Peck (1958), Terzaghi và Peck (1967), Peck và cs. (1977) phân định hố đào nông ($H < 6\text{ m}$) và hố đào sâu ($H > 6\text{ m}$). Trong cơ học đất hiện đại xây chen đô thị, ranh giới này chuyển thành bài toán kiểm soát ảnh hưởng biến dạng.
    • Gil-Martín và cộng sự (2012) phân tích sự phát triển của các hệ thống giằng chống và phân loại biện pháp thi công hố đào thành phương pháp từ dưới lên (Bottom-up) và từ trên xuống (Top-down).

  2. Trạng thái và lộ trình ứng suất của đất xung quanh hố đào:

    • Bjerrum (1970) đề xuất phương pháp lộ trình ứng suất để phân tích sự biến thiên của ứng suất hiệu quả trong các phân tố đất tại các vị trí điển hình do dỡ tải đứng và dỡ tải ngang.
    • Wong (2001, 2009) phân chia vùng đất chịu ảnh hưởng bởi hố đào thành 4 vùng (Vùng I: sau lưng tường với lộ trình dỡ tải ngang AC; Vùng II: dưới đáy hố với lộ trình AMF; Vùng III: lộ trình AS; Vùng IV: trục chính bị xoay gần AC). Tác giả chỉ ra vùng lộ trình ứng suất quanh hố đào (Vùng E) chưa được nghiên cứu đầy đủ và thường bị thay thế sai lệch bằng lộ trình gia tải thông thường.
    • Bishop và Wesley (1975), Rahman (2010) phát triển thiết bị thí nghiệm ba trục có điều khiển lộ trình ứng suất (CTE, RTE, TE) để xác định thông số dỡ tải cho đất sét tại Bangladesh.
    • Becker (2008) chế tạo thiết bị ba trục mô phỏng các lộ trình ứng suất khác nhau xung quanh hố móng (các đoạn OA, OB, OC, OD, OE, OF).
    • Ou và cộng sự (2006) khảo sát các lộ trình ba trục (AC, AE, LE, LC) ở điều kiện thoát nước (CD) và không thoát nước (CU) trên đất sét bụi Đài Bắc, chỉ ra góc ma sát hữu hiệu có sự khác biệt giữa các lộ trình.
    • Ladd và cộng sự (1977) thực hiện thí nghiệm $CK_0U$ biến dạng phẳng, chứng minh góc ma sát hữu hiệu trong nén ba trục ($\varphi'_c$) lớn hơn trong kéo ba trục ($\varphi'_e$).
    • Hans-Georg Kempfert (2006) phân tích đường trạng thái tới hạn và thiết lập tỷ số sức kháng cắt không thoát nước giữa nén và kéo: $$\frac{(c_u){comp}}{(c_u){ext}} = \frac{3 - \sin\varphi'}{3 + \sin\varphi'}$$ Hệ số này đạt giá trị khoảng 0,72 tương ứng với $\varphi' = 20^\circ \div 28^\circ$.
    • Lambe (1969) thực hiện thí nghiệm CU và CD giảm ứng suất ngang; Balasubramaniam và Waheed-Uddin (1977) nghiên cứu thí nghiệm kéo ba trục trên đất sét yếu Bangkok (CIUE, CIU, CID, CIUD), cho thấy mô đun biến dạng ban đầu trong thí nghiệm kéo lớn hơn trong thí nghiệm nén thông thường; Mayne (1982), Reades và Green (1976) đánh giá tính dị hướng của cát trong thí nghiệm kéo và nén.

  3. Nghiên cứu bán thực nghiệm và quan trắc hiện trường:

    • Peck (1969) tổng kết biểu đồ thực nghiệm dự tính độ lún bề mặt xung quanh hố móng theo tỷ lệ phần trăm chiều sâu đào $H$ cho 3 vùng đất.
    • Hsieh và Ou (1998) phát triển phương pháp phân tích ngược, chỉ ra độ lún mặt đất tối đa thường dao động từ $50% \div 75%$ chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn.
    • Clough và O'Rourke (1990) kết luận chuyển vị ngang cực đại của tường trong đất sét mềm khoảng $0{,}2% H$ và đất sét cứng khoảng $0{,}15% H$.
    • Nhóm biên dịch tiêu chuẩn chuyên nghiệp Thượng Hải - PSCG (2000) ban hành quy chuẩn giới hạn chuyển vị và độ lún cho 3 cấp bảo vệ công trình ngầm:
Cấp an toàn Giới hạn chuyển vị ngang lớn nhất ($U_{x,\max}$) Giới hạn độ lún bề mặt lớn nhất ($U_{y,\max}$) Phạm vi công trình bảo vệ
Cấp I $\le 0{,}14% H$ $\le 0{,}1% H$ Tuyến tàu điện ngầm, ống dẫn khí, cống thoát nước trong phạm vi $0{,}7 H$
Cấp II $\le 0{,}3% H$ $\le 0{,}2% H$ Cơ sở hạ tầng quan trọng trong phạm vi $(1 \div 2) H$
Cấp III $\le 0{,}7% H$ $\le 0{,}5% H$ Khu vực không có công trình quan trọng trong phạm vi $2 H$
  • Osman (2006) phát triển phương pháp thiết kế sức kháng huy động (MSD) cho đất sét mềm Singapore; Zhang và cộng sự (2014) xây dựng mô hình đa thức hồi quy dựa trên 21 nghiên cứu điển hình.

  1. Nghiên cứu ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và mô hình nền:

    • Hashash và Whittle (1996) sử dụng phần mềm ABAQUS với mô hình MIT-E3 phân tích độ lún bề mặt khi đào đất sét mềm; Potts (2003) phân tích tính ưu việt của phương pháp số trong mô phỏng tương tác đất - kết cấu.
    • Chang-Yu Ou (2018) dùng PLAXIS mô phỏng công trình TNEC (Đài Bắc), khẳng định tính ưu việt của mô hình Hardening Soil so với Mohr – Coulomb, Cam-Clay cải tiến và Hyperbol.
    • Janbu (1963) đề xuất tham số mũ $m = 0{,}5$; Von Soos (1980) đề xuất $m = 0{,}5 \div 1{,}0$; Surarak và cộng sự (2000) đề xuất $m = 1{,}0$ cho đất cát pha sét Delhi và đất sét mềm.

  2. Các nghiên cứu trong nước:

    • Nguyễn Trường Huy (2015) chế tạo thiết bị ba trục giảm ứng suất ngang, cố định ứng suất đứng và cải tiến mô hình Lade cho đất nền Hà Nội.
    • Nhóm nghiên cứu dự án Lọc hóa dầu Nghi Sơn thực hiện thí nghiệm $CK_0UC$ và $CK_0UE$ trên đất sét Nghi Sơn, ghi nhận hiện tượng suy bền của đất khi chịu kéo dỡ tải.
    • Các công trình của Lê Bá Vinh, Trần Tuấn Anh, Tô Văn Lận về tính toán phân tích hố đào và ứng xử nền đất yếu.

Khoảng trống luận án giải quyết

Mặc dù đã có nhiều nghiên cứu về hố đào sâu, phần lớn các nghiên cứu trong nước chưa mô phỏng sát thực tế lộ trình ứng suất dỡ tải đặc thù của đất yếu bão hòa nước tại TP. HCM. Đa số các thiết kế hiện trường vẫn sử dụng các thông số từ thí nghiệm nén thông thường, chưa xác định được quy luật suy giảm sức kháng cắt và quy luật gia tăng mô đun biến dạng trong quá trình dỡ tải. Luận án giải quyết khoảng trống này bằng cách thực hiện thí nghiệm ba trục theo lộ trình dỡ tải chuyên biệt, thiết lập các hệ số tương quan và xác định bộ tham số hoàn chỉnh cho mô hình Hardening Soil trên đất yếu TP. HCM.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết và mô hình đất nền

Luận án dựa trên cơ sở cơ học đất và phương pháp số:

  • Lý thuyết áp lực đất Rankine (1857): Đánh giá trạng thái cân bằng giới hạn chủ động ($K_a$) và bị động ($K_p$).
  • Phương pháp tính toán kết cấu chắn giữ: So sánh phương pháp giải tích, phương pháp dầm trên nền đàn hồi và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).
  • Các mô hình ứng xử của đất:
    1. Mô hình Mohr – Coulomb (MC): Đàn dẻo lý tưởng với các thông số $E$, $\nu$, $c$, $\varphi$, $\psi$.
    2. Mô hình Hyperbol (Duncan – Chang): Quan hệ phi tuyến giữa ứng suất và biến dạng.
    3. Mô hình Cam-Clay cải tiến (MCC): Mô hình trạng thái tới hạn dựa trên mặt dẻo elip.
    4. Mô hình Hardening Soil (HS): Mô hình đàn dẻo phi tuyến xét đến tính tăng bền đẳng hướng do biến dạng trượt và biến dạng thể tích, có phân biệt độ cứng khi gia tải ban đầu ($E_{50}^{ref}$), khi dỡ tải/gia tải lại ($E_{ur}^{ref}$) và khi nén cố kết ($E_{oed}^{ref}$), cùng quy luật phụ thuộc ứng suất thông qua tham số mũ $m$: $$E_{50} = E_{50}^{ref} \left( \frac{c'\cos\varphi' - \sigma'3\sin\varphi'}{c'\cos\varphi' + p^{ref}\sin\varphi'} \right)^m$$ $$E{ur} = E_{ur}^{ref} \left( \frac{c'\cos\varphi' - \sigma'_3\sin\varphi'}{c'\cos\varphi' + p^{ref}\sin\varphi'} \right)^m$$

Phương pháp nghiên cứu thực tế

  • Phương pháp thống kê và kế thừa: Tổng hợp số liệu địa chất, tài liệu thí nghiệm hiện trường, hồ sơ thiết kế và dữ liệu đo đạc quan trắc độ lún, chuyển vị ngang từ các công trình hố đào sâu thực tế tại TP. HCM.
  • Phương pháp thực nghiệm phòng thí nghiệm:
    • Lấy mẫu đất nguyên dạng tại hiện trường các tầng bùn sét và sét yếu thuộc khu vực TP. HCM.
    • Sử dụng hệ thống thiết bị ba trục Humboldt kết hợp bộ đọc và xử lý số liệu tự động Advantech Adamview (thực hiện tại Phòng thí nghiệm Địa kỹ thuật Bros - LAS-XD 1136).
    • Kiểm tra độ bão hòa mẫu qua hệ số Skempton $B \ge 0{,}95$.
    • Thực hiện các thí nghiệm ba trục theo 3 lộ trình chính:
      1. Lộ trình nén ba trục thông thường (CTC - Conventional Triaxial Compression): Giữ nguyên áp lực buồng $\sigma_3$, tăng dần ứng suất dọc trục $\sigma_1$.
      2. Lộ trình giảm ứng suất ngang (RTC - Reduced Triaxial Compression): Giữ nguyên ứng suất đứng $\sigma_1$, giảm dần ứng suất ngang $\sigma_3$ (mô phỏng khối đất Vùng I sau lưng tường chắn).
      3. Lộ trình giảm ứng suất đứng (RTE - Reduced Triaxial Extension): Giữ nguyên áp lực buồng $\sigma_3$, giảm dần ứng suất đứng $\sigma_1$ (mô phỏng khối đất Vùng II dưới đáy hố đào).
    • Thực hiện thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (CD) có chu trình dỡ tải và gia tải lại.
    • Thực hiện thí nghiệm nén một trục không nở hông (Oedometer) có bộ ghi dữ liệu tự động.
  • Phương pháp mô phỏng số: Sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn địa kỹ thuật Plaxis để mô phỏng tuần tự các giai đoạn thi công đào đất, hạ mực nước ngầm và lắp đặt hệ kết cấu chống đỡ. Kết quả tính toán từ các mô hình MC, HS tiêu chuẩn và HSM (Hardening Soil hiệu chỉnh) được đối chiếu trực tiếp với số liệu quan trắc thực tế tại hiện trường.

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Tổng quan về hố đào sâu theo hướng nghiên cứu của đề tài

Chương này tổng kết bức tranh tổng thể về công trình hố đào sâu trong đô thị, phân tích đặc điểm phân bố địa tầng đất yếu tại TP. HCM (châu thổ sông Sài Gòn, tập trung tại Quận 2, Quận 4, Quận 6, Quận 7, Quận 8, Bình Thạnh, Bình Chánh, Nhà Bè, Cần Giờ). Tác giả tổng hợp các chỉ tiêu cơ lý đặc trưng của tầng đất sét yếu TP. HCM: dung trọng tự nhiên $\gamma = 14 \div 16\text{ kN/m}^3$, hệ số rỗng $e = 1{,}5 \div 2{,}5$, sức kháng cắt không thoát nước $S_u < 50\text{ kPa}$, số đòn đập xuyên tiêu chuẩn $N_{30} < 4$, lực dính hữu hiệu $c' < 15\text{ kPa}$, mô đun biến dạng $E < 6000\text{ kPa}$, và tỷ số quá cố kết $OCR$ thay đổi từ $2 \div 4$ (ở độ sâu $0 \div 6\text{ m}$) đến trạng thái cố kết thường $OCR \approx 1$ (ở độ sâu $12 \div 22\text{ m}$).

Chương 1 cũng phân tích cơ chế hình thành 4 vùng lộ trình ứng suất quanh hố đào theo sơ đồ của Wong (2009) và khẳng định sự cần thiết phải nghiên cứu chuyên sâu về lộ trình dỡ tải RTC và RTE.

Chương 2: Cơ sở lý thuyết và các đặc trưng cơ lý trong tính toán hố đào sâu

Chương 2 trình bày có hệ thống các lý thuyết cơ học đất ứng dụng trong tính toán tường chắn hố đào sâu: từ lý thuyết áp lực đất cổ điển của Rankine (1857), các phương pháp giải tích và dầm trên nền đàn hồi, đến phương pháp phần tử hữu hạn (FEM).

Tác giả phân tích chi tiết toán học và cơ sở vật lý của 4 mô hình đất nền: Mohr – Coulomb, Hyperbol (Duncan – Chang), Cam-Clay cải tiến và Hardening Soil. Phân tích rõ các định nghĩa về mô đun biến dạng: mô đun ban đầu $E_0$, $E_i$, mô đun tiếp tuyến $E_t$, mô đun cát tuyến $E_s$, mô đun cát tuyến tại $50%$ ứng suất phá hoại $E_{50}$, mô đun dỡ tải - gia tải lại $E_{ur}$, và mô đun cố kết không nở hông $E_{oed}$.

Chương 3: Thí nghiệm ba trục theo các lộ trình ứng suất dỡ tải mô phỏng trạng thái ứng suất biến dạng của đất xung quanh hố đào sâu

Chương này trình bày toàn bộ quy trình và kết quả thí nghiệm thực nghiệm trên các mẫu đất sét yếu nguyên dạng tại TP. HCM trên thiết bị Humboldt:

  • Thiết lập thí nghiệm: Thực hiện bão hòa mẫu, kiểm tra hệ số $B$ của Skempton, cố kết đẳng hướng và tiến hành cắt mẫu theo các lộ trình CTC, RTE, RTC.
  • Phân tích quan hệ ứng suất – biến dạng ($q - \varepsilon_1$) và áp lực nước lỗ rỗng ($u - \varepsilon_1$): Kết quả thực nghiệm cho thấy rõ sự khác biệt giữa các lộ trình tải trọng.
  • Quy luật về sức kháng cắt: Sức kháng cắt hữu hiệu của đất yếu TP. HCM suy giảm rõ rệt khi chịu dỡ tải so với gia tải nén thông thường:
    • Góc ma sát hữu hiệu theo lộ trình dỡ tải RTE ($\varphi'{RTE}$) và RTC ($\varphi'{RTC}$) nhỏ hơn so với lộ trình CTC ($\varphi'_{CTC}$).
    • Tỷ số sức kháng cắt trong điều kiện kéo/dỡ tải so với nén phù hợp với quy luật lý thuyết của Hans-Georg Kempfert.
  • Quy luật về mô đun biến dạng: Mô đun biến dạng $E_{50}$ xác định từ lộ trình dỡ tải RTC và RTE có giá trị lớn hơn đáng kể so với mô đun xác định từ thí nghiệm CTC thông thường. Tác giả thiết lập các phương trình hồi quy tương quan giữa mô đun biến dạng dỡ tải và gia tải.

Chương 4: Nghiên cứu sự phụ thuộc trạng thái ứng suất của mô đun biến dạng trong mô hình Hardening Soil trên đất yếu TP. HCM

Chương 4 tập trung xử lý số liệu thực nghiệm để xây dựng bộ thông số cho mô hình Hardening Soil:

  • Thí nghiệm nén ba trục CD có dỡ tải và gia tải lại: Tiến hành trên 4 nhóm tổ mẫu (mẫu 1-3, mẫu 4-6, mẫu 7-9, mẫu 10-12) ở các cấp áp lực buồng khác nhau.
  • Xác định tham số mũ $m$: Từ các quan hệ hồi quy logarith giữa $E_{50}$, $E_{ur}$ với áp lực tham chiếu $p^{ref} = 100\text{ kPa}$, tác giả xác định chính xác tham số mũ $m$ thể hiện mức độ phụ thuộc của mô đun vào ứng suất cho đất yếu TP. HCM:
    • Giá trị tham số $m$ cho đất yếu TP. HCM dao động quanh giá trị $m \approx 0{,}8 \div 1{,}0$ (khác biệt so với giá trị mặc định $m = 0{,}5$ của cát hoặc sét Châu Âu theo Janbu).
  • Xác định các tỷ số mô đun: Qua xử lý thống kê số liệu thí nghiệm ba trục và nén Oedometer, luận án xác lập tỷ số đặc trưng:
    • Tỷ số giữa mô đun dỡ tải/gia tải lại và mô đun cát tuyến: $E_{ur} / E_{50} \approx 3 \div 5$.
    • Tỷ số giữa mô đun nén cố kết và mô đun cát tuyến: $E_{oed} / E_{50} \approx 0{,}9 \div 1{,}1$.

Chương 5: Áp dụng kết quả nghiên cứu để tính toán công trình thực tế

Luận án áp dụng bộ thông số và mô hình Hardening Soil đã hiệu chỉnh (gọi là mô hình HSM) để mô phỏng bằng phần mềm Plaxis cho 3 công trình hố đào sâu quy mô lớn trên nền đất sét yếu tại TP. HCM, đối chiếu trực tiếp với kết quả đo đạc quan trắc chuyển vị thực tế qua các giai đoạn thi công:

  1. Dự án Khu phức hợp – TTTM – Văn phòng – Căn hộ Sài Gòn Pearl (Opal Saigon Pearl):

    • Hố đào sâu thi công đến cao độ $-15\text{ m}$, hệ tường vây bê tông cốt thép kết hợp hệ giằng chống thép hình tại cao độ $-12\text{ m}$.
    • Trình tự thi công gồm 6 giai đoạn (GĐ1 đến GĐ6).
    • Kết quả giai đoạn cuối (GĐ6): Mô hình MC dự báo chuyển vị ngang cực đại của tường $U_{x,\max}$ và độ lún bề mặt $U_{y,\max}$ có sai lệch rất lớn so với quan trắc. Mô hình HSM đề xuất cho giá trị $U_{x,\max} = 57\text{ mm}$ và độ lún nền $U_y = -80\text{ mm}$, bám sát biểu đồ và giá trị đo đạc thực tế của hệ thống Inclinometer và mốc quan trắc lún hiện trường.

  2. Dự án Trạm bơm Lưu vực Nhiêu Lộc - Thị Nghè:

    • Điều kiện địa chất tầng bùn sét dày, sử dụng hệ tường vây và hệ thanh chống có kích điều chỉnh chuyển vị.
    • Mô phỏng quá trình thi công gồm 8 giai đoạn (GĐ1 đến GĐ8).
    • Kết quả so sánh chuyển vị ngang của tường tại giai đoạn đào sâu nhất (GĐ8) cho thấy đường cong chuyển vị của mô hình HSM có dạng tương thích cao với dữ liệu quan trắc thực tế, trong khi mô hình MC cho chuyển vị chân tường và thân tường sai lệch nhiều về hình dạng và độ lớn.

  3. Dự án Pearl Plaza:

    • Công trình có tầng hầm sâu, địa tầng gồm các lớp bùn sét yếu phân bố dày phía trên.
    • Quá trình đào đất và lắp đặt thanh chống chia làm 5 giai đoạn.
    • Phân tích chuyển vị ngang và biến dạng hố đào ở giai đoạn đào thứ 5 khẳng định kết quả từ mô hình HSM phản ánh chính xác trạng thái biến dạng thực tế của kết cấu tường vây hơn hẳn mô hình MC và mô hình HS tiêu chuẩn chưa hiệu chỉnh thông số dỡ tải.

Kết quả và những đóng góp mới

Những đóng góp mới về mặt khoa học và thực tiễn

  1. Làm sáng tỏ quy luật ứng xử cơ lý theo lộ trình dỡ tải: Chứng minh bằng thực nghiệm rằng trong quá trình dỡ tải (RTC, RTE) của đất yếu TP. HCM, sức kháng cắt hữu hiệu có xu hướng suy giảm trong khi mô đun biến dạng ($E_{50}$) lại gia tăng đáng kể so với kết quả từ thí nghiệm nén ba trục gia tải thông thường (CTC).
  2. Đề xuất hệ số điều chỉnh thông số đầu vào: Thiết lập các hệ số điều chỉnh cho tham số độ bền kháng cắt ($c'$, $\varphi'$) và mô đun biến dạng khi chuyển đổi từ thí nghiệm tiêu chuẩn sang bài toán dỡ tải hố đào sâu.
  3. Xác lập bộ tương quan mô đun cho mô hình Hardening Soil đất yếu TP. HCM: Xác định được khoảng giá trị tỷ số mô đun thực nghiệm $E_{ur} / E_{50}$ và $E_{oed} / E_{50}$ phản ánh đúng bản chất dỡ tải và gia tải lại của nền đất sét khu vực châu thổ sông Sài Gòn.
  4. Xác định tham số mũ $m$ đặc trưng: Đề xuất giá trị tham số mũ $m \approx 0{,}8 \div 1{,}0$ trong mô hình Hardening Soil cho đất sét yếu TP. HCM, thay thế cho việc áp dụng máy móc các giá trị $m = 0{,}5$ của đất cát hoặc đất sét ở các khu vực địa lý khác trên thế giới.
  5. Kiểm chứng thành công trên công trình thực tế: Chứng minh thông qua 3 dự án quy mô lớn (Sài Gòn Pearl, Trạm bơm Nhiêu Lộc - Thị Nghè, Pearl Plaza) rằng việc sử dụng mô hình Hardening Soil hiệu chỉnh (HSM) với bộ thông số dỡ tải mang lại độ chính xác dự báo chuyển vị ngang tường và lún mặt đất vượt trội so với mô hình Mohr – Coulomb truyền thống.

Bảng tổng hợp các thông số hiệu chỉnh đề xuất cho mô hình nền

Thông số / Tỷ số Ký hiệu Ý nghĩa vật lý / Ứng dụng Giá trị đề xuất cho đất yếu TP. HCM
Tham số mũ $m$ Quy định mức độ phụ thuộc của mô đun vào ứng suất trong mô hình HS $0{,}8 \div 1{,}0$
Tỷ số mô đun dỡ tải $E_{ur} / E_{50}$ Tỷ số giữa mô đun dỡ tải - gia tải lại và mô đun cát tuyến $3{,}0 \div 5{,}0$
Tỷ số mô đun cố kết $E_{oed} / E_{50}$ Tỷ số giữa mô đun nén một trục không nở hông và mô đun cát tuyến $0{,}9 \div 1{,}1$
Áp lực tham chiếu $p^{ref}$ Mức áp lực chuẩn để xác định các mô đun biến dạng tham chiếu $100\text{ kPa}$
Độ bền dỡ tải $c'{ext}, \varphi'{ext}$ Tham số sức kháng cắt điều chỉnh cho lộ trình dỡ tải RTE/RTC Suy giảm theo quan hệ thực nghiệm Kempfert / thí nghiệm dỡ tải

Kiến nghị và giải pháp đề xuất

  • Trong công tác khảo sát và thí nghiệm địa kỹ thuật phục vụ thiết kế hố đào sâu trên nền đất yếu TP. HCM, cần bổ sung các thí nghiệm ba trục theo lộ trình dỡ tải (RTC, RTE) và thí nghiệm nén ba trục có chu trình dỡ tải - gia tải lại.
  • Trong tính toán thiết kế tường chắn hố đào sâu bằng phương pháp phần tử hữu hạn, nên ưu tiên áp dụng mô hình Hardening Soil với bộ thông số hiệu chỉnh theo các tỷ số và số mũ $m$ mà luận án đã đề xuất, hạn chế sử dụng mô hình Mohr – Coulomb đơn giản nhằm tránh sai số lớn trong dự báo biến dạng.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

  • Hạn chế về phạm vi địa tầng: Luận án tập trung chủ yếu vào 2 lớp đất sét yếu và bùn sét phân bố ở độ sâu từ 0 m đến 30 m tại khu vực TP. HCM; chưa mở rộng khảo sát chi tiết cho các tầng đất cát pha, sét pha hoặc đất có chứa hàm lượng than bùn cao ở các độ sâu lớn hơn.
  • Hạn chế về mô hình số: Các bài toán tính toán công trình thực tế trong luận án chủ yếu thực hiện theo bài toán biến dạng phẳng 2 chiều (2D), chưa xét đầy đủ các hiệu ứng góc hố đào và tương tác không gian 3 chiều (3D) phức tạp của hệ thanh chống chéo.
  • Hướng nghiên cứu tiếp theo:
    • Tiếp tục thực hiện các thí nghiệm ba trục tự động với nhiều lộ trình dỡ tải phức tạp hơn kết hợp đo biến dạng nhỏ (mô hình Hardening Soil with Small-Strain Stiffness - HSS).
    • Nghiên cứu mô phỏng không gian 3D có xét đến sự thay đổi mực nước ngầm và quá trình cố kết theo thời gian trong quá trình đào đất.

Giá trị tham khảo

  • Đối với nghiên cứu sinh, học viên cao học và giảng viên ngành Địa kỹ thuật Xây dựng: Cung cấp tài liệu tham khảo có hệ thống về cơ sở lý thuyết lộ trình ứng suất dỡ tải, quy trình vận hành thí nghiệm ba trục Humboldt điều khiển tự động và phương pháp xác định các thông số nâng cao cho mô hình Hardening Soil.
  • Đối với các kỹ sư thiết kế và tư vấn địa kỹ thuật: Cung cấp bộ thông số cụ thể ($m$, $E_{ur}/E_{50}$, $E_{oed}/E_{50}$) và quy trình hiệu chỉnh mô hình nền trong phần mềm Plaxis, giúp nâng cao độ chính xác khi tính toán thiết kế kết cấu chắn giữ hố đào sâu trên nền đất yếu TP. HCM và các vùng có điều kiện địa chất tương tự.
  • Đối với các nhà thầu thi công và đơn vị quan trắc: Giúp giải thích cơ chế chuyển vị thực tế của vách và đáy hố đào, hỗ trợ công tác dự báo rủi ro bùng nền, lún nứt công trình lân cận để đưa ra biện pháp ứng phó kịp thời.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao thi công hố đào sâu lại được xem là bài toán dỡ tải của nền đất?

Khi thi công hố đào sâu, việc đào bốc khối lượng đất lớn ra khỏi hố móng làm giải phóng tải trọng tác dụng lên nền đất. Đất dưới đáy hố đào bị giải phóng tải trọng đứng (giảm ứng suất đứng $\sigma_1$), trong khi đất sau lưng tường chắn bị dịch chuyển về phía trong hố đào làm giải phóng áp lực ngang (giảm ứng suất ngang $\sigma_3$). Do đó, bản chất cơ học của quá trình đào đất là dỡ tải, hoàn toàn khác với bài toán xây dựng công trình trên mặt đất vốn là quá trình gia tải tăng dần ứng suất đứng.

2. Sự khác biệt chính giữa lộ trình ứng suất RTC, RTE và CTC là gì?

  • Lộ trình CTC (Conventional Triaxial Compression): Giữ nguyên áp lực buồng $\sigma_3$, tăng dần ứng suất đứng $\sigma_1$ cho đến khi mẫu bị phá hoại (lộ trình gia tải nén thông thường).
  • Lộ trình RTC (Reduced Triaxial Compression): Giữ nguyên ứng suất đứng $\sigma_1$, giảm dần ứng suất ngang $\sigma_3$ đến khi phá hoại (mô phỏng khối đất sau lưng tường chắn).
  • Lộ trình RTE (Reduced Triaxial Extension): Giữ nguyên áp lực buồng $\sigma_3$, giảm dần ứng suất đứng $\sigma_1$ đến khi phá hoại (mô phỏng khối đất dưới đáy hố đào).

3. Vì sao mô hình Mohr – Coulomb thường dự báo không chính xác chuyển vị trong bài toán hố đào sâu?

Mô hình Mohr – Coulomb là mô hình đàn hồi - dẻo lý tưởng với mô đun đàn hồi $E$ là một hằng số không phụ thuộc vào trạng thái ứng suất và không phân biệt giữa quá trình gia tải ban đầu với quá trình dỡ tải/gia tải lại. Trong khi đó, đất thực tế có ứng xử phi tuyến, mô đun biến dạng thay đổi theo độ sâu và tăng cao khi chịu dỡ tải. Mô hình MC cũng không phản ánh chính xác áp lực nước lỗ rỗng và độ suy giảm bền, dẫn đến việc ước tính chuyển vị ngang và lún bề mặt có sai số lớn.

4. Giá trị tham số mũ $m$ trong mô hình Hardening Soil của đất yếu TP. HCM được xác định là bao nhiêu?

Qua các thí nghiệm nén ba trục thoát nước có dỡ tải - gia tải lại và thí nghiệm nén cố kết Oedometer trên các nhóm mẫu đất sét yếu TP. HCM, tác giả đã xác định tham số mũ $m$ dao động trong khoảng $0{,}8 \div 1{,}0$. Giá trị này phản ánh đúng bản chất phụ thuộc ứng suất của mô đun biến dạng đất sét yếu khu vực TP. HCM, thay vì áp dụng giá trị mặc định $m = 0{,}5$ vốn chỉ phù hợp cho đất cát.

5. Kết quả mô phỏng bằng mô hình Hardening Soil hiệu chỉnh (HSM) trên các công trình thực tế cho thấy điều gì?

Khi áp dụng mô hình HSM vào 3 công trình thực tế (Sài Gòn Pearl, Trạm bơm Nhiêu Lộc - Thị Nghè, Pearl Plaza), các kết quả chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn ($U_{x,\max}$) và độ lún mặt đất ($U_{y,\max}$) qua các giai đoạn đào đều có sự trùng khớp rất cao về cả trị số và dạng đường cong phân bố so với số liệu quan trắc Inclinometer và mốc đo lún tại hiện trường.

Kết luận

Luận án tiến sĩ của tác giả Ngô Đức Trung đã giải quyết thấu đáo vấn đề ứng xử cơ lý của đất yếu TP. HCM dưới tác động của các lộ trình ứng suất dỡ tải đặc thù trong thi công hố đào sâu. Bằng phương pháp thực nghiệm ba trục hiện đại kết hợp phân tích số phần tử hữu hạn, công trình đã xác lập quy luật suy giảm sức kháng cắt, quy luật gia tăng mô đun biến dạng, cùng bộ thông số hiệu chỉnh hoàn chỉnh ($m$, $E_{ur}/E_{50}$, $E_{oed}/E_{50}$) cho mô hình Hardening Soil. Các kết quả nghiên cứu đã được kiểm chứng chuẩn xác qua số liệu quan trắc thực tế tại các dự án quy mô lớn, đóng góp cơ sở khoa học và thực tiễn quan trọng cho công tác khảo sát, thiết kế và thi công an toàn các công trình ngầm đô thị.