Tổng quan nghiên cứu

Trong lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng, móng bè cọc là giải pháp phổ biến cho các công trình nhà cao tầng có tầng hầm, đặc biệt trong điều kiện nền đất yếu hoặc phức tạp. Theo báo cáo của ngành, móng bè cọc kết hợp giữa cọc khoan nhồi và bè móng giúp cải thiện khả năng chịu tải, giảm độ lún và độ lún lệch không đều. Tuy nhiên, trong thực tế thiết kế, phần lớn các tính toán vẫn xem xét toàn bộ tải trọng công trình do hệ cọc chịu, bỏ qua sự tham gia của tường vây cọc barrette – một thành phần có khả năng chịu tải đáng kể khi cắm sâu vào nền đất cứng.

Luận văn thạc sĩ này tập trung nghiên cứu ứng xử của hệ tường vây – móng bè – cọc cùng chịu tải trọng công trình, nhằm đánh giá và tối ưu hóa sự phối hợp làm việc giữa các thành phần này. Nghiên cứu được thực hiện trên điều kiện địa chất điển hình tại khu vực quận Ratchathewi, Bangkok, Thái Lan, trong giai đoạn từ tháng 9/2021 đến tháng 12/2022. Mục tiêu cụ thể là phân tích phần trăm tải trọng phân bố lên móng bè, hệ cọc và tường vây cọc barrette, từ đó đề xuất giải pháp giảm số lượng và chiều dài cọc, tiết kiệm chi phí mà vẫn đảm bảo an toàn kết cấu.

Ý nghĩa nghiên cứu được thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học chính xác hơn cho thiết kế móng bè cọc – tường vây cọc barrette, giúp tận dụng tối đa khả năng chịu lực của hệ móng, đồng thời giảm thiểu vật liệu và chi phí xây dựng. Kết quả nghiên cứu cũng góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công các công trình cao tầng có tầng hầm trong điều kiện địa chất phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai mô hình lý thuyết chính trong phân tích địa kỹ thuật:

  1. Mô hình Morh-Coulomb: Đây là mô hình đàn dẻo lý tưởng, sử dụng hai thông số sức chống cắt là lực dính (c) và góc ma sát trong (φ). Mô hình này phù hợp cho mọi loại đất và thường được dùng trong giai đoạn đầu của thiết kế. Biến dạng đất được chia thành biến dạng đàn hồi và biến dạng dẻo, với các thông số độ cứng như mô-đun đàn hồi (E) và hệ số Poisson (ν).

  2. Mô hình Hardening Soil: Mô hình tiên tiến hơn, mô phỏng chính xác hơn ứng xử của đất nền, bao gồm sự tái bền chống cắt và chống nén. Mô hình này phân biệt các mô-đun biến dạng theo trạng thái ứng suất và lộ trình ứng suất, sử dụng các thông số như E50 (mô-đun biến dạng cắt), Eoed (mô-đun nén cố kết), Eur (mô-đun đàn hồi dở tải), và hệ số mũ (m) để mô tả sự thay đổi độ cứng theo ứng suất.

Ba khái niệm chuyên ngành quan trọng được sử dụng trong nghiên cứu gồm:

  • Tường vây cọc barrette: loại tường vây có tiết diện chữ nhật hoặc chữ thập, được tạo lỗ bằng máy đào gầu ngoạm, có khả năng chịu tải lớn.
  • Móng bè cọc: hệ móng kết hợp giữa bè móng và cọc khoan nhồi, tận dụng tương tác giữa đất, bè và cọc để chịu tải.
  • Phân tích phần tử hữu hạn (FEM): phương pháp số được sử dụng để mô phỏng ứng xử của hệ móng và tường vây dưới tải trọng công trình.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu địa chất thực tế tại công trình nghiên cứu ở Bangkok, kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc D1800, và các thông số vật liệu đất nền được xác định qua thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước và không thoát nước.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis 2D V22 và Plaxis 3D V20 để mô phỏng ứng xử của hệ tường vây – móng bè – cọc dưới tải trọng công trình. Cỡ mẫu mô hình bao gồm mô hình cọc khoan nhồi đường kính 1.8m, mô hình hố đào sâu gia cố bằng Jet grouting, và mô hình hệ móng kết hợp tường vây cọc barrette.

Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng số dựa trên dữ liệu thực nghiệm và khảo sát hiện trường, nhằm đảm bảo tính đại diện và độ tin cậy của kết quả. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2021 đến tháng 12/2022, bao gồm các giai đoạn thu thập số liệu, mô phỏng, phân tích và đánh giá kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Phân bố tải trọng trên hệ móng: Khi chỉ sử dụng móng bè cọc, tải trọng phân bố là 13.48% lên bè và 86% lên hệ cọc. Khi kết hợp với tường vây cọc barrette, tải trọng phân bố thay đổi thành 13.48% lên bè, 70.62% lên hệ cọc và 15% lên tường vây. Điều này cho thấy tường vây cọc barrette chịu khoảng 15% tải trọng công trình, giảm tải cho hệ cọc khoảng 15.9%.

  2. Độ lún và chuyển vị: Kết quả mô phỏng Plaxis 3D cho thấy độ lún đầu cọc và độ lún dọc thân cọc phù hợp với kết quả thí nghiệm nén tĩnh cọc D1800, với sai số trong khoảng cho phép. Độ lún của móng bè và chuyển vị ngang của đất nền cũng được kiểm soát tốt khi có sự tham gia của tường vây.

  3. Ảnh hưởng chiều dài và số lượng cọc: Khi tận dụng khả năng chịu tải của tường vây cọc barrette, có thể giảm chiều dài và số lượng cọc trong móng bè mà vẫn đảm bảo an toàn kết cấu. Việc này giúp tiết kiệm chi phí vật liệu và thi công.

  4. Hiệu quả gia cố hố đào bằng Jet grouting: Phương pháp gia cố này giúp hạn chế nước ngầm tràn vào hố đào, tăng ổn định cho tường vây và giảm chuyển vị ngang của đất nền trong quá trình thi công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự giảm tải trọng lên hệ cọc khi kết hợp với tường vây cọc barrette là do tường vây có khả năng truyền tải trọng đứng hiệu quả khi cắm sâu vào nền đất cứng. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về tương tác giữa tường vây và móng bè cọc, đồng thời khẳng định vai trò quan trọng của tường vây trong hệ móng phức hợp.

So sánh với các phương pháp phân tích truyền thống chỉ xem xét cọc chịu toàn bộ tải trọng, nghiên cứu này cho thấy phương pháp kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn 3D cho kết quả chính xác hơn và phản ánh đúng thực tế làm việc của hệ móng. Việc mô phỏng chi tiết cũng giúp đánh giá được ảnh hưởng của các thông số như chiều dài cọc, độ dày bè, và chiều sâu tường vây đến ứng xử chung của hệ móng.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ phân bố tải trọng trên các thành phần móng, bảng so sánh độ lún thực nghiệm và mô phỏng, cũng như biểu đồ chuyển vị ngang của tường vây trong quá trình thi công hố đào. Những biểu đồ này minh họa rõ ràng sự tham gia chịu tải của tường vây và hiệu quả của giải pháp gia cố.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tận dụng khả năng chịu tải của tường vây cọc barrette: Thiết kế móng bè cọc nên xem xét sự tham gia chịu tải của tường vây để giảm số lượng và chiều dài cọc, từ đó tiết kiệm chi phí vật liệu và thi công. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn thiết kế kết cấu; Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế kết cấu.

  2. Sử dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn 3D: Áp dụng Plaxis 3D hoặc các phần mềm tương tự để phân tích chi tiết ứng xử hệ móng, giúp đánh giá chính xác phân bố tải trọng và độ lún. Thời gian áp dụng: trong quá trình thiết kế và kiểm tra; Chủ thể thực hiện: chuyên gia địa kỹ thuật và thiết kế.

  3. Gia cố hố đào bằng Jet grouting: Áp dụng biện pháp gia cố này để kiểm soát nước ngầm và tăng ổn định cho tường vây trong thi công hố đào sâu. Thời gian áp dụng: giai đoạn thi công; Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và tư vấn giám sát.

  4. Tối ưu hóa bố trí cọc và chiều dày bè: Dựa trên kết quả mô phỏng, điều chỉnh số lượng cọc và chiều dày bè để đạt hiệu quả kinh tế và kỹ thuật tối ưu. Thời gian áp dụng: thiết kế chi tiết; Chủ thể thực hiện: kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát.

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 phương pháp phân tích hiện đại giúp tối ưu thiết kế móng bè cọc – tường vây, giảm chi phí và nâng cao hiệu quả công trình.

  2. Nhà thầu thi công móng và hố đào: Tham khảo các giải pháp gia cố hố đào và mô phỏng ứng xử hệ móng để áp dụng kỹ thuật thi công phù hợp, đảm bảo an toàn và chất lượng.

  3. Chuyên gia tư vấn giám sát công trình: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá, kiểm tra thiết kế và thi công móng, đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn kỹ thuật và an toàn.

  4. Nghiên cứu sinh và sinh viên ngành địa kỹ thuật xây dựng: Tài liệu tham khảo hữu ích về ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn trong phân tích móng bè cọc và tường vây, cũng như các phương pháp tối ưu hóa kết cấu móng.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần xem xét sự tham gia của tường vây cọc barrette trong thiết kế móng?
    Tường vây cọc barrette có khả năng chịu tải đáng kể khi cắm sâu vào nền đất cứng, giúp giảm tải trọng lên hệ cọc và tận dụng khả năng chịu lực của toàn bộ hệ móng, từ đó tiết kiệm chi phí và vật liệu.

  2. Phần mềm Plaxis có ưu điểm gì trong phân tích móng bè cọc?
    Plaxis sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn, cho phép mô phỏng chi tiết ứng xử đất – kết cấu trong không gian 2D và 3D, giúp đánh giá chính xác phân bố tải trọng, độ lún và chuyển vị, phù hợp với các điều kiện địa chất phức tạp.

  3. Làm thế nào để xác định thông số đất nền phù hợp cho mô hình?
    Thông số đất nền được xác định qua các thí nghiệm thực tế như thí nghiệm ba trục cố kết thoát nước và không thoát nước, thí nghiệm nén cố kết, kết hợp với khảo sát địa chất hiện trường để đảm bảo tính chính xác và phù hợp với điều kiện thực tế.

  4. Giải pháp gia cố hố đào bằng Jet grouting có tác dụng gì?
    Jet grouting giúp gia cố nền đất, hạn chế nước ngầm tràn vào hố đào, tăng ổn định cho tường vây và giảm chuyển vị ngang của đất trong quá trình thi công, đảm bảo an toàn cho công trình.

  5. Có thể giảm số lượng cọc trong móng bè cọc khi kết hợp với tường vây không?
    Có, nghiên cứu cho thấy khi tường vây cọc barrette tham gia chịu tải, tải trọng lên hệ cọc giảm khoảng 15.9%, cho phép giảm số lượng và chiều dài cọc mà vẫn đảm bảo an toàn kết cấu.

Kết luận

  • Nghiên cứu khẳng định tường vây cọc barrette đóng góp khoảng 15% tải trọng công trình trong hệ móng bè cọc – tường vây, giảm tải cho hệ cọc khoảng 15.9%.
  • Mô hình phần tử hữu hạn 3D (Plaxis 3D) cho kết quả mô phỏng độ lún và chuyển vị phù hợp với thí nghiệm thực tế, nâng cao độ tin cậy trong thiết kế.
  • Gia cố hố đào bằng Jet grouting hiệu quả trong việc kiểm soát nước ngầm và tăng ổn định tường vây.
  • Tận dụng sự phối hợp làm việc của hệ móng giúp giảm số lượng và chiều dài cọc, tiết kiệm chi phí xây dựng.
  • Đề xuất áp dụng phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn và xem xét sự tham gia của tường vây trong thiết kế móng bè cọc cho các công trình cao tầng có tầng hầm.

Next steps: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế thực tế, mở rộng nghiên cứu cho các điều kiện địa chất khác và phát triển phần mềm hỗ trợ thiết kế tối ưu hệ móng phức hợp.

Call to action: Các kỹ sư và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực địa kỹ thuật xây dựng nên tích hợp phương pháp phân tích này vào quy trình thiết kế để nâng cao hiệu quả và tiết kiệm chi phí công trình.