Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị hiện đại, nhu cầu xây dựng các công trình ngầm ngày càng gia tăng, đặc biệt tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Việc thi công các tầng hầm sâu trong điều kiện mặt bằng chật hẹp và có nhiều công trình lân cận đặt ra thách thức lớn về kiểm soát chuyển vị tường chắn và biến dạng đất nền. Theo ước tính, các công trình có độ sâu đào đất lên đến 13.35m, sử dụng hệ thống chống đỡ phức tạp nhằm đảm bảo an toàn kết cấu và hạn chế biến dạng. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào ảnh hưởng của hệ thanh chống đến chuyển vị tường vây trong quá trình thi công hố đào sâu, nhằm tìm ra phương án bố trí hệ thanh chống hợp lý, vừa đảm bảo an toàn kết cấu, vừa tối ưu chi phí thi công.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là phân tích và so sánh kết quả mô phỏng bằng phương pháp phần tử hữu hạn với số liệu quan trắc thực tế tại công trình Lim Tower, TP. Hồ Chí Minh; từ đó đề xuất phương án bố trí và gia cường hệ thanh chống nhằm hạn chế chuyển vị tường vây trong giới hạn cho phép. Nghiên cứu được thực hiện trong phạm vi công trình có 2 tầng hầm, chiều sâu đào 13.35m, với hệ thống 3 tầng thanh chống chính, khoảng cách lớn nhất từ tầng thanh chống đến bề mặt hố đào là 6m. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc đảm bảo an toàn thi công, giảm thiểu rủi ro biến dạng ảnh hưởng đến các công trình lân cận, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công tầng hầm sâu.

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 áp lực đất biểu kiến (Peck, 1969): Phương pháp tính toán tải trọng trên hệ thanh chống dựa trên áp lực đất phân bố theo chiều sâu, giúp xác định lực tác dụng lên từng tầng thanh chống trong quá trình thi công.
  • Mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng Mohr-Coulomb: Mô hình cơ học đất phổ biến dùng để mô phỏng ứng xử của đất nền dưới tải trọng, đặc biệt trong phân tích biến dạng và ổn định hố đào.
  • Mô hình Hardening Soil (HS): Mô hình nâng cao mô phỏng tính phi tuyến và tăng cứng theo hướng của đất, cho kết quả chính xác hơn trong phân tích biến dạng đất nền.
  • Khái niệm độ cứng hệ thanh chống: Độ cứng của hệ thanh chống ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển vị tường chắn; hệ thanh chống có độ cứng lớn giúp giảm chuyển vị đáng kể.
  • Hiệu ứng vòm (Arching effect): Ảnh hưởng không gian trong thi công hố đào, đặc biệt với tường vây bê tông cốt thép, làm giảm chuyển vị và biến dạng đất nền tại các góc và cạnh hố đào.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực tế từ công trình Lim Tower tại TP. Hồ Chí Minh, gồm số liệu quan trắc chuyển vị tường vây qua các giai đoạn thi công. Phương pháp phân tích chính là mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng toàn bộ quá trình thi công hố đào với các giai đoạn lắp đặt và tháo dỡ hệ thanh chống.

Cỡ mẫu nghiên cứu là một công trình thực tế với 2 tầng hầm, chiều sâu đào 13.35m, hệ thanh chống gồm 3 tầng chính. Phương pháp chọn mẫu là nghiên cứu trường hợp (case study) nhằm phân tích chi tiết ảnh hưởng của hệ thanh chống đến chuyển vị tường vây. Phân tích so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế để đánh giá độ chính xác và hiệu quả của các phương án bố trí hệ thanh chống.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2013, bao gồm thu thập số liệu, mô phỏng, phân tích và đề xuất giải pháp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của độ cứng hệ thanh chống: Kết quả mô phỏng và quan trắc cho thấy hệ thanh chống có độ cứng lớn giúp giảm chuyển vị tường vây đáng kể. Chuyển vị ngang tường vây tại vị trí ống inclinometer IN01 giảm từ khoảng 55-70mm xuống còn 2-4mm sau khi lắp đặt và kích tải hệ thanh chống.
  2. Khoảng cách giữa tầng thanh chống và bề mặt hố đào: Việc giảm khoảng cách này từ 6m xuống thấp hơn làm giảm chiều dài không cố kết, từ đó giảm chuyển vị tường vây.
  3. Phương án thay đổi trình tự thi công: Thay đổi trình tự thi công hố đào nhằm giảm khoảng cách giữa hệ thanh chống và bề mặt hố đào kết hợp với gia cố hệ thanh chống có hiệu quả cao trong việc hạn chế chuyển vị tường vây, đảm bảo chuyển vị nằm trong giới hạn cho phép.
  4. Phân tích 3D cho công trình có hình học phức tạp: Mô hình 3D cho độ chính xác và tin cậy cao hơn so với mô hình 2D, đặc biệt trong việc đánh giá hiệu ứng vòm và ứng xử không gian của tường vây và đất nền.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm chuyển vị tường vây là do hệ thanh chống có độ cứng cao và được kích tải trước, giúp tăng khả năng chịu lực ngang của hệ chống, từ đó giảm áp lực đất tác động lên tường chắn. Việc rút ngắn khoảng cách giữa tầng thanh chống và bề mặt hố đào làm giảm chiều dài không cố kết, hạn chế biến dạng tích lũy qua các giai đoạn thi công.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các báo cáo tại Bangkok, Taipei và Boston, nơi cũng nhấn mạnh vai trò quan trọng của hệ thanh chống trong kiểm soát chuyển vị tường vây. Đặc biệt, nghiên cứu này bổ sung phân tích chi tiết về ảnh hưởng của việc thay đổi bố trí hệ thanh chống và trình tự thi công, điều chưa được làm rõ trong nhiều nghiên cứu trước.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị tường vây theo thời gian thi công tại các vị trí quan trắc, bảng so sánh lực dọc trên các tầng thanh chống giữa mô phỏng và thực tế, cũng như hình ảnh mô phỏng biến dạng đất nền và tường vây trong phần mềm Plaxis 3D Foundation.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tối ưu hóa bố trí hệ thanh chống: Đề nghị giảm khoảng cách giữa tầng thanh chống và bề mặt hố đào xuống dưới 6m để giảm chiều dài không cố kết, từ đó hạn chế chuyển vị tường vây. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thiết kế và lập kế hoạch thi công; chủ thể: nhà thầu và tư vấn thiết kế.
  2. Kích tải trước hệ thanh chống: Áp dụng kích tải trước cho hệ thanh chống ngay sau khi lắp đặt để tăng độ cứng và giảm chuyển vị tường vây. Thời gian thực hiện: ngay sau lắp đặt từng tầng thanh chống; chủ thể: nhà thầu thi công.
  3. Thay đổi trình tự thi công đào đất: Thiết kế trình tự thi công sao cho việc đào đất và lắp đặt hệ thanh chống diễn ra đồng bộ, tránh để hố đào không được chống đỡ trong thời gian dài, giảm thiểu chuyển vị tường vây. Thời gian thực hiện: trong quá trình thi công; chủ thể: nhà thầu thi công và giám sát.
  4. Gia cố hệ thanh chống: Đối với các tầng thanh chống làm việc ở trạng thái nguy hiểm hoặc có lực dọc tăng cao, cần gia cố hoặc bổ sung hệ thanh chống dự phòng để đảm bảo an toàn kết cấu. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thi công và tháo dỡ hệ thanh chống; chủ thể: nhà thầu và tư vấn giám sát.
  5. Ứng dụng mô hình phân tích 3D: Khuyến khích sử dụng mô hình phần tử hữu hạn 3D cho các công trình có hình học phức tạp để đánh giá chính xác chuyển vị và biến dạng, từ đó đưa ra biện pháp thi công phù hợp. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn thiết kế và lập biện pháp thi công; chủ thể: tư vấn thiết kế và nghiên cứu.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn về ảnh hưởng của hệ thanh chống đến chuyển vị tường vây, giúp tối ưu thiết kế hệ chống đỡ hố đào sâu.
  2. Nhà thầu thi công tầng hầm: Tham khảo các phương án bố trí và gia cố hệ thanh chống, trình tự thi công nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công hố đào sâu.
  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá, kiểm soát chuyển vị tường vây và biến dạng đất nền trong quá trình thi công, giảm thiểu rủi ro công trình.
  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng, địa kỹ thuật: Tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn 3D trong phân tích hố đào sâu, cũng như các khái niệm và phương pháp tính toán tải trọng hệ thanh chống.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thanh chống có vai trò gì trong thi công hố đào sâu?
    Hệ thanh chống chịu lực ngang, giữ ổn định tường vây, hạn chế chuyển vị và biến dạng đất nền trong quá trình đào đất, đảm bảo an toàn kết cấu và công trình lân cận.

  2. Tại sao cần kích tải trước hệ thanh chống?
    Kích tải trước giúp tăng độ cứng hệ thanh chống, giảm chuyển vị tường vây và biến dạng đất nền, đồng thời hạn chế sự gia tăng áp lực đất trong quá trình thi công.

  3. Phương pháp phân tích nào được sử dụng trong nghiên cứu?
    Phương pháp phần tử hữu hạn 3D với phần mềm Plaxis 3D Foundation được sử dụng để mô phỏng quá trình thi công và phân tích ảnh hưởng của hệ thanh chống đến chuyển vị tường vây.

  4. Khoảng cách giữa tầng thanh chống và bề mặt hố đào ảnh hưởng thế nào đến chuyển vị?
    Khoảng cách càng nhỏ thì chiều dài không cố kết giảm, làm giảm chuyển vị tường vây và biến dạng đất nền, giúp tăng độ ổn định của hố đào.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chuyển vị tường vây trong giới hạn cho phép?
    Bố trí hợp lý hệ thanh chống với độ cứng đủ lớn, kích tải trước, thay đổi trình tự thi công hợp lý và gia cố hệ thanh chống khi cần thiết là các biện pháp hiệu quả để kiểm soát chuyển vị.

Kết luận

  • Hệ thanh chống có độ cứng lớn và được kích tải trước đóng vai trò then chốt trong việc giảm chuyển vị tường vây khi thi công hố đào sâu.
  • Giảm khoảng cách giữa tầng thanh chống và bề mặt hố đào giúp hạn chế chiều dài không cố kết, giảm biến dạng tích lũy của tường chắn.
  • Thay đổi trình tự thi công đào đất và lắp đặt hệ thanh chống là giải pháp hiệu quả để kiểm soát chuyển vị tường vây trong giới hạn cho phép.
  • Mô hình phân tích 3D bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation cung cấp kết quả chính xác, phù hợp với các công trình có hình học phức tạp.
  • Các giải pháp đề xuất có thể ứng dụng rộng rãi cho các công trình tầng hầm sâu tại các đô thị lớn, góp phần nâng cao an toàn và hiệu quả thi công.

Next steps: Áp dụng các phương án bố trí và gia cố hệ thanh chống trong các dự án thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng của các yếu tố địa chất phức tạp và tải trọng động trong thi công hố đào sâu.

Call to action: Các kỹ sư thiết kế, nhà thầu và chuyên gia giám sát nên tích hợp mô hình phân tích 3D và các giải pháp bố trí hệ thanh chống hợp lý để đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công tầng hầm sâu.