Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị và kinh tế hiện nay, việc xây dựng các công trình cao tầng với nhiều tầng hầm ngày càng gia tăng, đặc biệt trên nền đất yếu tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Theo ước tính, chiều sâu đào hố móng các công trình cao tầng thường đạt từ 10 đến 15 mét, đòi hỏi hệ thống tường vây và cọc khoan nhồi chịu tải hiệu quả để đảm bảo ổn định công trình và an toàn cho các công trình lân cận. Vấn đề chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu là một trong những thách thức kỹ thuật quan trọng, ảnh hưởng trực tiếp đến độ bền và an toàn của công trình.

Luận văn tập trung phân tích mức độ ảnh hưởng của cọc bên trong hố đào sâu đến chuyển vị ngang của tường vây, lấy ví dụ điển hình là công trình Cao ốc Văn phòng Lim Tower tại Thành phố Hồ Chí Minh với chiều sâu đào đất 13,5m, sử dụng hệ tường barrette dày 800mm, dài 39m và cọc khoan nhồi đường kính 1200mm, dài 54m. Mục tiêu nghiên cứu nhằm đánh giá sự khác biệt về chuyển vị ngang của tường vây khi khai báo hoặc không khai báo yếu tố cọc trong mô hình phần tử hữu hạn, từ đó đề xuất giải pháp thiết kế và thi công phù hợp.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích mô hình hố đào sâu trong điều kiện địa chất thực tế của công trình Lim Tower, sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation để mô phỏng các trường hợp khai báo cọc với các hàm lượng và vị trí khác nhau. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp dữ liệu chính xác về chuyển vị ngang tường vây, giúp tối ưu hóa thiết kế kết cấu chống đỡ, giảm thiểu rủi ro mất ổn định và đảm bảo an toàn cho công trình cũng như môi trường xung quanh.

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 địa kỹ thuật xây dựng để mô phỏng ứng xử đất nền và kết cấu tường vây:

  • Mô hình Mohr-Coulomb (MC): Mô hình đàn hồi dẻo thuần túy, sử dụng 5 thông số cơ bản gồm mô đun đàn hồi, hệ số Poisson, góc ma sát, lực dính và góc giãn nở. Mô hình này phù hợp cho tính toán sơ bộ, không xét đến sự thay đổi độ cứng theo ứng suất và thời gian.

  • Mô hình Hardening Soil (HS): Mô hình nâng cao, mô phỏng chính xác ứng xử phi tuyến tính của đất mềm và đất cứng, bao gồm biến dạng dẻo do cắt và nén, sự phụ thuộc độ cứng vào ứng suất, và tính chất đàn hồi dỡ tải. Mô hình này yêu cầu nhiều thông số hơn nhưng cho kết quả phù hợp với thực tế hơn.

Ngoài ra, các khái niệm chính được sử dụng gồm: chuyển vị ngang tường vây, mômen uốn trong tường, độ cứng dọc trục (EA) và độ cứng chống uốn (EI) của cọc, ảnh hưởng của mật độ và vị trí cọc trong hố đào, cũng như các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định hố đào như áp lực nước ngầm, đặc tính đất nền, và biện pháp thi công.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) với phần mềm chuyên dụng Plaxis 3D Foundation để mô phỏng quá trình thi công và phân tích chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu. Cỡ mẫu nghiên cứu là mô hình công trình Lim Tower với chiều sâu đào 13,5m, sử dụng hệ tường barrette và cọc khoan nhồi thực tế.

Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng các trường hợp khai báo cọc với các hàm lượng, vị trí và độ sâu khác nhau nhằm đánh giá ảnh hưởng đến chuyển vị ngang tường vây. Các bước nghiên cứu gồm:

  • Thu thập số liệu địa chất, thông số vật liệu đất nền, tường vây, cọc và hệ chống đỡ từ công trình thực tế.

  • Thiết lập mô hình phần tử hữu hạn trong Plaxis 3D Foundation, bao gồm tạo hình học, nhập thông số vật liệu, điều kiện biên và các giai đoạn thi công.

  • Phân tích các trường hợp mô hình có khai báo cọc đầy đủ, khai báo một phần hoặc không khai báo cọc.

  • So sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế để đánh giá độ chính xác.

  • Tổng hợp và phân tích kết quả để rút ra các kết luận và đề xuất.

Thời gian nghiên cứu kéo dài từ tháng 6 đến tháng 11 năm 2013, đảm bảo tính cập nhật và phù hợp với điều kiện thi công thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của khai báo cọc đến chuyển vị ngang tường vây:
    Khi mô hình khai báo đầy đủ yếu tố cọc (độ cứng dọc trục EA và độ cứng chống uốn EI) theo bản vẽ thực tế, chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây giảm đáng kể, từ khoảng 361mm (không khai báo cọc) xuống còn 230mm, tương đương giảm khoảng 36%. Điều này chứng tỏ cọc có vai trò quan trọng trong việc gia cố và hạn chế chuyển vị ngang của tường vây.

  2. Ảnh hưởng của mật độ cọc:
    Mật độ cọc càng cao (cọc cách nhau 3m so với 6m) thì chuyển vị ngang tường vây càng nhỏ. Cụ thể, chuyển vị ngang giảm từ 311mm (cọc cách 6m) xuống 230mm (cọc cách 3m), tương đương giảm khoảng 26%. Mật độ cọc ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng tổng thể của hệ thống tường vây và đất nền.

  3. Ảnh hưởng của chiều sâu cọc khai báo trong mô hình:
    Khi chiều sâu cọc khai báo là 7m, sự khác biệt về chuyển vị ngang giữa các phương án khai báo cọc (có hoặc không có EA, EI) là không đáng kể. Ngược lại, với chiều sâu cọc 42m, sự khác biệt rất rõ ràng, cho thấy chiều sâu cọc là yếu tố quyết định mức độ ảnh hưởng của cọc đến chuyển vị tường vây.

  4. So sánh mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil:
    Mô hình Hardening Soil cho kết quả chuyển vị ngang tường vây phù hợp hơn với số liệu quan trắc thực tế, với sai số nhỏ hơn 6% so với mô hình Mohr-Coulomb. Điều này khẳng định tính ưu việt của mô hình HS trong mô phỏng ứng xử đất nền phức tạp.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu cho thấy việc khai báo yếu tố cọc trong mô hình phần tử hữu hạn là rất cần thiết để dự đoán chính xác chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu. Nguyên nhân là do cọc khoan nhồi có độ cứng lớn, chịu tải trọng ngang và phân bố ứng suất hiệu quả, từ đó giảm biến dạng và chuyển vị của tường chắn.

Mật độ cọc cao làm tăng độ cứng tổng thể của hệ thống, giảm chuyển vị ngang và mômen uốn trong tường vây, góp phần nâng cao độ ổn định công trình. Chiều sâu cọc khai báo trong mô hình cũng ảnh hưởng lớn đến kết quả, do cọc sâu hơn có khả năng truyền tải và kháng lực tốt hơn.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế, kết quả này tương đồng với báo cáo của Wong Kai Sin (2005) và các nghiên cứu thực tế tại Việt Nam, khẳng định tính ứng dụng thực tiễn của phương pháp và mô hình nghiên cứu. Việc lựa chọn mô hình Hardening Soil giúp mô phỏng chính xác hơn các đặc tính phi tuyến tính và biến dạng dẻo của đất nền, từ đó nâng cao độ tin cậy của dự báo chuyển vị.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ chuyển vị ngang theo độ sâu tường vây, so sánh giữa các phương án khai báo cọc và không khai báo, cũng như bảng tổng hợp sai số giữa mô hình và quan trắc thực tế, giúp minh họa rõ ràng ảnh hưởng của các yếu tố nghiên cứu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng khai báo đầy đủ yếu tố cọc trong mô hình phần tử hữu hạn:
    Khuyến nghị các kỹ sư thiết kế và phân tích công trình hố đào sâu sử dụng mô hình khai báo đầy đủ độ cứng dọc trục (EA) và độ cứng chống uốn (EI) của cọc để dự báo chuyển vị ngang tường vây chính xác hơn. Thời gian áp dụng: ngay trong giai đoạn thiết kế.

  2. Tăng mật độ cọc trong thiết kế tường vây:
    Đề xuất tăng mật độ cọc khoan nhồi trong hố đào để giảm chuyển vị ngang và mômen uốn trong tường vây, đặc biệt với các công trình có chiều sâu đào lớn. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế.

  3. Lựa chọn mô hình đất nền phù hợp:
    Sử dụng mô hình Hardening Soil trong phần mềm Plaxis để mô phỏng ứng xử đất nền, giúp dự báo chuyển vị và ứng suất chính xác hơn so với mô hình Mohr-Coulomb. Thời gian áp dụng: trong các dự án thiết kế và phân tích địa kỹ thuật.

  4. Xem xét chiều sâu cọc khai báo trong mô hình:
    Khi chiều sâu cọc lớn hơn 10m, việc khai báo cọc trong mô hình có ảnh hưởng rõ rệt đến kết quả chuyển vị ngang, do đó cần chú ý khai báo chính xác chiều sâu cọc trong mô hình. Chủ thể thực hiện: kỹ sư phân tích và thiết kế.

  5. Theo dõi và quan trắc chuyển vị thực tế trong quá trình thi công:
    Đề nghị thực hiện quan trắc chuyển vị tường vây và đất nền thường xuyên để so sánh với kết quả mô phỏng, từ đó điều chỉnh thiết kế và biện pháp thi công kịp thời. Thời gian: trong suốt quá trình thi công hố đào.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật:
    Luận văn cung cấp dữ liệu và phương pháp phân tích chuyển vị ngang tường vây trong hố đào sâu, giúp tối ưu thiết kế tường chắn và hệ thống cọc khoan nhồi, nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm:
    Thông tin về ảnh hưởng của mật độ và chiều sâu cọc đến chuyển vị tường vây hỗ trợ nhà thầu lựa chọn biện pháp thi công phù hợp, kiểm soát biến dạng và đảm bảo tiến độ thi công.

  3. Chuyên gia giám sát và quan trắc công trình:
    Luận văn cung cấp cơ sở để thiết kế chương trình quan trắc chuyển vị tường vây và đất nền, giúp phát hiện sớm các nguy cơ mất ổn định và điều chỉnh kịp thời.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành Địa kỹ thuật xây dựng:
    Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong phân tích hố đào sâu, mô hình đất nền và ảnh hưởng của cọc đến chuyển vị tường chắn, phục vụ nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải khai báo yếu tố cọc trong mô hình hố đào sâu?
    Khai báo cọc giúp mô phỏng chính xác độ cứng và khả năng chịu tải của hệ thống cọc khoan nhồi, từ đó dự báo chuyển vị ngang tường vây sát với thực tế hơn, giảm sai số lên đến 36% so với mô hình không khai báo.

  2. Mật độ cọc ảnh hưởng thế nào đến chuyển vị tường vây?
    Mật độ cọc cao làm tăng độ cứng tổng thể, giảm chuyển vị ngang và mômen uốn trong tường vây. Ví dụ, cọc cách nhau 3m giảm chuyển vị ngang khoảng 26% so với cọc cách 6m.

  3. Mô hình Hardening Soil có ưu điểm gì so với Mohr-Coulomb?
    Mô hình Hardening Soil mô phỏng chính xác hơn ứng xử phi tuyến tính, biến dạng dẻo và sự phụ thuộc độ cứng vào ứng suất của đất nền, giúp dự báo chuyển vị và ứng suất sát với thực tế hơn, giảm sai số dưới 6%.

  4. Chiều sâu cọc khai báo trong mô hình có quan trọng không?
    Rất quan trọng. Với cọc sâu trên 10m, khai báo cọc trong mô hình ảnh hưởng lớn đến kết quả chuyển vị ngang, trong khi với cọc sâu 7m, ảnh hưởng này không đáng kể.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chuyển vị tường vây trong thi công hố đào?
    Kết hợp thiết kế mô hình chính xác (khai báo cọc, chọn mô hình đất phù hợp), tăng mật độ cọc, áp dụng biện pháp thi công hợp lý và thực hiện quan trắc chuyển vị thường xuyên để điều chỉnh kịp thời.

Kết luận

  • Việc khai báo đầy đủ yếu tố cọc trong mô hình phần tử hữu hạn giúp giảm chuyển vị ngang tường vây đến 36%, nâng cao độ chính xác dự báo và an toàn công trình.
  • Mật độ cọc khoan nhồi ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển vị ngang, mật độ cao giúp giảm chuyển vị và mômen uốn trong tường vây.
  • Mô hình Hardening Soil cho kết quả mô phỏng ứng xử đất nền phù hợp hơn so với mô hình Mohr-Coulomb, giảm sai số dự báo chuyển vị dưới 6%.
  • Chiều sâu cọc khai báo trong mô hình là yếu tố quan trọng, đặc biệt với cọc sâu trên 10m, ảnh hưởng lớn đến kết quả phân tích.
  • Đề xuất áp dụng khai báo cọc đầy đủ, tăng mật độ cọc, lựa chọn mô hình đất phù hợp và thực hiện quan trắc chuyển vị trong quá trình thi công để đảm bảo ổn định hố đào sâu.

Next steps: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế và thi công các công trình hố đào sâu tại các đô thị lớn, đồng thời mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố thi công khác như áp lực nước ngầm và biện pháp gia tải trước.

Các kỹ sư và nhà quản lý dự án nên tích hợp mô hình khai báo cọc trong phần mềm phân tích FEM để nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công công trình hố đào sâu, đồng thời tăng cường quan trắc thực tế để đảm bảo an toàn và bền vững.