Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh công nghiệp hóa và đô thị hóa mạnh mẽ tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, nhu cầu xây dựng nhà cao tầng và tầng hầm ngày càng gia tăng. Từ năm 2009 đến 2014, nhiều công trình cao tầng với chiều cao từ 38 đến 72 tầng đã được hoàn thành, điển hình như Keangnam Hanoi (72 tầng, 336m) và Bitexco Financial Tower (38 tầng, 262m). Việc xây dựng tầng hầm nhằm tối ưu hóa không gian sử dụng, đặc biệt cho bãi đỗ xe và hệ thống kỹ thuật, trở thành yêu cầu cấp thiết. Tuy nhiên, thi công tầng hầm sâu đặt ra thách thức lớn về ổn định thành hố đào, đặc biệt khi tường vây được thi công trong đất cát với mực nước ngầm cao.

Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng của chiều dài tường vây trong đất cát đến chuyển vị tường vây và ổn định hố đào tại dự án Chung cư Nguyễn Kim, Quận 10, TP. Hồ Chí Minh. Dự án có diện tích tầng hầm 4200 m², gồm 2 tầng hầm với chiều sâu đào lên đến -11.45 m. Mục tiêu nghiên cứu là xác định chiều dài tường vây tối ưu nhằm đảm bảo an toàn kỹ thuật, giảm thiểu chuyển vị tường vây và tăng hệ số ổn định tổng thể cũng như ổn định đáy hố đào. Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn qua phần mềm Plaxis 8.6 với mô hình Hardening Soil để mô phỏng và phân tích các kịch bản chiều dài tường vây khác nhau. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn lớn, cung cấp cơ sở khoa học cho các chủ đầu tư, đơn vị thiết kế và thi công trong việc lựa chọn chiều dài tường vây phù hợp, đảm bảo an toàn và tiết kiệm chi phí.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính để phân tích ổn định hố đào và chuyển vị tường vây:

  1. Lý thuyết Mohr-Coulomb và Mohr-Rankine: Đây là các mô hình cơ bản xác định áp lực đất chủ động và bị động tác dụng lên tường vây dựa trên các thông số như lực dính hữu hiệu (c'), góc ma sát trong (φ'), và góc ma sát giữa đất và tường (δ). Lý thuyết này giúp tính toán áp lực đất và đánh giá trạng thái cân bằng giới hạn dẻo của đất nền.

  2. Mô hình Hardening Soil (HS): Mô hình này nâng cao hơn mô hình Mohr-Coulomb, mô phỏng chính xác ứng xử đàn hồi - dẻo của đất, bao gồm cả tính tăng bền chống cắt và tăng bền chống nén. Mô hình HS sử dụng các thông số như mô đun biến dạng E50ref, Eurref, Eoedref và số mũ m để mô tả phi tuyến tính của đất. Mô hình này cho phép mô phỏng biến dạng dẻo không hồi phục và sự thay đổi độ cứng của đất theo ứng suất, phù hợp với điều kiện thực tế của đất cát và đất sét tại công trình.

Các khái niệm chính được sử dụng bao gồm: áp lực đất chủ động và bị động, chuyển vị tường vây, hệ số ổn định tổng thể, ổn định đáy hố đào (bao gồm hiện tượng bùng nền và phá hủy dạng ống), mô hình phần tử hữu hạn, và các thông số địa chất đặc trưng như chỉ số SPT, lực dính, góc ma sát.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ 02/2016 đến 02/2017 tại dự án Chung cư Nguyễn Kim, Quận 10, TP. Hồ Chí Minh. Phương pháp nghiên cứu bao gồm:

  • Thu thập và phân tích dữ liệu địa chất: Sử dụng các thông số địa chất thu thập được từ khảo sát thực tế như chỉ số SPT, lực dính, góc ma sát, mô đun đàn hồi đất, mực nước ngầm.

  • Mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 8.6 (2D): Áp dụng mô hình Hardening Soil để mô phỏng quá trình thi công hố đào với các chiều dài tường vây khác nhau (từ 14m đến 26m). Mô hình bao gồm các yếu tố như tường vây bê tông cốt thép dày 0.8m, hệ giằng chống thép hình H350 và 2H400, chiều sâu đào từ -9.9m đến -11.45m.

  • Phân tích chuyển vị tường vây và hệ số ổn định: Đánh giá chuyển vị ngang tối đa của tường vây, hệ số ổn định tổng thể và hệ số ổn định đáy hố đào dựa trên kết quả mô phỏng.

  • So sánh với kết quả quan trắc thực tế: Kiểm chứng tính hợp lý của mô hình và thông số đầu vào bằng cách so sánh chuyển vị tường vây tính toán với dữ liệu quan trắc thu thập được tại công trình.

  • Phân tích và lựa chọn chiều dài tường vây hợp lý: Dựa trên các kết quả phân tích để đề xuất chiều dài tường vây tối ưu đảm bảo các điều kiện kỹ thuật và kinh tế.

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ dữ liệu địa chất và kết quả quan trắc tại công trình Chung cư Nguyễn Kim. Phương pháp chọn mẫu dựa trên khảo sát thực địa và số liệu quan trắc thực tế. Phân tích sử dụng phần mềm chuyên dụng Plaxis 8.6 với mô hình Hardening Soil nhằm mô phỏng chính xác ứng xử đất và tường vây.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của chiều dài tường vây đến chuyển vị tường vây: Kết quả mô phỏng cho thấy khi chiều dài tường vây tăng từ 14m đến 26m, chuyển vị ngang tối đa của tường vây giảm rõ rệt. Ví dụ, chuyển vị giảm khoảng 30% khi tăng chiều dài tường vây từ 14m lên 22m. Điều này chứng tỏ chiều dài tường vây có vai trò quan trọng trong việc kiểm soát chuyển vị ngang.

  2. Hệ số ổn định tổng thể tăng theo chiều dài tường vây: Hệ số ổn định tổng thể của hố đào tăng từ khoảng 1.1 với tường vây dài 14m lên đến 1.4 với tường vây dài 26m, cho thấy sự cải thiện đáng kể về an toàn kết cấu khi tăng chiều dài tường vây.

  3. Ổn định đáy hố đào được cải thiện với chiều dài tường vây lớn hơn: Hệ số ổn định đáy hố đào cũng tăng tương ứng, từ khoảng 1.0 đến 1.3 khi chiều dài tường vây tăng. Điều này giúp giảm nguy cơ bùng nền và phá hủy dạng ống tại đáy hố đào.

  4. So sánh kết quả mô phỏng và quan trắc thực tế: Kết quả chuyển vị tường vây tính toán bằng Plaxis 8.6 tương đối phù hợp với số liệu quan trắc, sai số trong khoảng 10-15%, chứng tỏ mô hình và thông số đầu vào được lựa chọn hợp lý.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm chuyển vị tường vây khi tăng chiều dài là do tường vây sâu hơn có khả năng ngăn dòng chảy nước ngầm và chịu lực đất tốt hơn, từ đó giảm áp lực thấm và áp lực đất tác động lên tường. Hệ số ổn định tổng thể và ổn định đáy hố đào tăng theo chiều dài tường vây phản ánh sự gia tăng khả năng chịu lực và giảm nguy cơ mất ổn định do bùng nền hoặc đẩy trồi đáy hố đào.

So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này nhất quán với các khuyến nghị về tỷ số chiều dài tường vây trên chiều sâu hố đào (Hp/Hw ≥ 1.1) để đảm bảo ổn định. Đồng thời, việc sử dụng mô hình Hardening Soil cho phép mô phỏng chính xác hơn so với mô hình Mohr-Coulomb truyền thống, đặc biệt trong việc mô phỏng biến dạng dẻo và ứng xử phi tuyến của đất cát.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ chuyển vị ngang theo chiều dài tường vây, biểu đồ hệ số ổn định tổng thể và ổn định đáy hố đào tương ứng, giúp trực quan hóa mối quan hệ và hỗ trợ việc lựa chọn chiều dài tường vây tối ưu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Lựa chọn chiều dài tường vây tối ưu: Đề xuất chọn chiều dài tường vây sao cho tỷ số Hp/Hw ≥ 1.1, tức là chiều sâu chân tường vây tính từ đáy hố đào phải lớn hơn hoặc bằng 1.1 lần độ chênh lệch mực nước ngầm bên trong và bên ngoài tường vây. Giải pháp này giúp đảm bảo ổn định đáy hố đào và giảm chuyển vị tường vây. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn thiết kế.

  2. Kiểm soát chuyển vị tường vây bằng hệ giằng chống: Điều chỉnh cao độ hoặc số lượng hệ giằng chống để kiểm soát chuyển vị ngang của tường vây trong giới hạn cho phép, đảm bảo an toàn kết cấu và giảm ảnh hưởng đến công trình lân cận. Chủ thể thực hiện: đơn vị thiết kế và thi công.

  3. Sử dụng mô hình Hardening Soil trong phân tích thiết kế: Khuyến khích áp dụng mô hình Hardening Soil trong phần mềm Plaxis hoặc các phần mềm tương tự để mô phỏng chính xác ứng xử đất và tường vây, từ đó đưa ra các giải pháp thiết kế phù hợp. Thời gian áp dụng: trong các dự án mới và nghiên cứu tiếp theo.

  4. Theo dõi và quan trắc chuyển vị thực tế trong thi công: Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị tường vây và mực nước ngầm trong quá trình thi công để kiểm soát và điều chỉnh kịp thời các biện pháp thi công, đảm bảo an toàn và hiệu quả. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và chủ đầu tư.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Chủ đầu tư các dự án xây dựng cao tầng và tầng hầm: Giúp hiểu rõ về các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định hố đào, từ đó đưa ra quyết định đầu tư hợp lý, giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh.

  2. Đơn vị thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp phân tích hiện đại để lựa chọn chiều dài tường vây phù hợp, đảm bảo an toàn và tối ưu chi phí thiết kế.

  3. Nhà thầu thi công công trình ngầm và hố đào sâu: Hỗ trợ trong việc lựa chọn biện pháp thi công, kiểm soát chuyển vị tường vây và ổn định hố đào, từ đó nâng cao chất lượng và tiến độ thi công.

  4. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp: Là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn, mô hình Hardening Soil và các phương pháp phân tích ổn định hố đào trong thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chiều dài tường vây lại ảnh hưởng lớn đến chuyển vị tường vây?
    Chiều dài tường vây quyết định khả năng ngăn dòng chảy nước ngầm và chịu lực đất nền. Tường vây dài hơn giúp giảm áp lực thấm và áp lực đất tác động, từ đó giảm chuyển vị ngang của tường vây, đảm bảo an toàn kết cấu.

  2. Mô hình Hardening Soil có ưu điểm gì so với mô hình Mohr-Coulomb?
    Mô hình Hardening Soil mô phỏng chính xác hơn ứng xử phi tuyến, biến dạng dẻo và tăng bền của đất, đặc biệt trong đất cát và đất mềm. Điều này giúp dự báo chuyển vị và ổn định hố đào sát với thực tế hơn so với mô hình Mohr-Coulomb.

  3. Hệ số ổn định đáy hố đào là gì và tại sao quan trọng?
    Hệ số ổn định đáy hố đào đánh giá khả năng chống lại hiện tượng bùng nền và phá hủy dạng ống tại đáy hố đào. Hệ số này quan trọng để đảm bảo an toàn cho công trình, tránh sụt lún và mất ổn định nền móng.

  4. Làm thế nào để kiểm chứng kết quả mô phỏng với thực tế?
    Bằng cách so sánh chuyển vị tường vây tính toán từ mô hình phần tử hữu hạn với số liệu quan trắc thực tế trong quá trình thi công. Sai số nhỏ chứng tỏ mô hình và thông số đầu vào phù hợp.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các công trình khác không?
    Có thể áp dụng cho các công trình hố đào sâu trong đất cát có điều kiện tương tự, đặc biệt tại các đô thị lớn. Tuy nhiên cần điều chỉnh thông số địa chất và điều kiện thi công phù hợp với từng công trình cụ thể.

Kết luận

  • Chiều dài tường vây có ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển vị tường vây, hệ số ổn định tổng thể và ổn định đáy hố đào tại công trình Chung cư Nguyễn Kim.
  • Tăng chiều dài tường vây giúp giảm chuyển vị ngang tối đa khoảng 30% và nâng hệ số ổn định tổng thể từ 1.1 lên 1.4.
  • Mô hình Hardening Soil trong phần mềm Plaxis 8.6 cho kết quả mô phỏng phù hợp với số liệu quan trắc thực tế, sai số trong khoảng 10-15%.
  • Đề xuất lựa chọn chiều dài tường vây sao cho tỷ số Hp/Hw ≥ 1.1 để đảm bảo ổn định đáy hố đào và kiểm soát chuyển vị tường vây hiệu quả.
  • Khuyến nghị áp dụng mô hình Hardening Soil trong thiết kế và thi công, đồng thời thực hiện quan trắc chuyển vị để kiểm soát an toàn thi công.

Tiếp theo, các đơn vị thiết kế và thi công nên áp dụng kết quả nghiên cứu này vào thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các loại địa chất và công trình khác nhằm nâng cao hiệu quả và độ an toàn trong thi công hố đào sâu. Để được tư vấn chi tiết hơn về phương pháp phân tích và ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn, quý độc giả vui lòng liên hệ chuyên gia hoặc các đơn vị tư vấn chuyên ngành xây dựng công trình dân dụng và công nghiệp.