Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị hiện đại, việc khai thác không gian ngầm ngày càng trở nên phổ biến, đặc biệt tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Theo ước tính, các công trình hố đào sâu với chiều sâu lên đến 14,3m và diện tích mặt bằng hàng nghìn mét vuông được xây dựng nhằm đáp ứng nhu cầu phát triển hạ tầng và nhà ở. Tuy nhiên, quá trình thi công các hố đào sâu trong điều kiện địa chất phức tạp, đặc biệt là nền đất yếu và mực nước ngầm cao, đã gây ra nhiều vấn đề nghiêm trọng như chuyển vị ngang của tường vây, lún đất nền vượt giới hạn cho phép, ảnh hưởng đến an toàn các công trình lân cận.

Luận văn tập trung phân tích ảnh hưởng của việc hạ mực nước ngầm trong quá trình thi công hố đào sâu đến ứng xử của tường Barrette và đất nền xung quanh, nhằm đảm bảo sự ổn định và an toàn cho công trình. Nghiên cứu được thực hiện trên công trình thực tế tại TP. Hồ Chí Minh với 22 tầng cao và 3 tầng hầm, sử dụng phương pháp thi công Bottom-up và hệ thống tường vây dày 0,6m. Mục tiêu cụ thể là phân tích chuyển vị ngang của tường vây và lún đất nền quanh hố đào, đồng thời đánh giá ảnh hưởng của việc hạ mực nước ngầm đến các biến dạng này.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm giai đoạn thi công hố đào sâu tại TP. Hồ Chí Minh trong năm 2014, sử dụng dữ liệu quan trắc thực tế kết hợp mô phỏng bằng phần mềm Plaxis. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc lựa chọn thông số địa chất, mô hình tính toán phù hợp, từ đó đề xuất các giải pháp thi công và kiểm soát chuyển vị, lún đất nhằm bảo vệ công trình và môi trường xung quanh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính trong địa kỹ thuật xây dựng:

  1. Mô hình Hardening Soil (HS): Đây là mô hình đất nền đàn hồi - dẻo, mô phỏng chính xác ứng xử phi tuyến của đất mềm và cát dưới tác động tải trọng. Mô hình yêu cầu các thông số như mô đun biến dạng thứ cấp (Eso), mô đun tiếp tuyến (Eur), số mũ (m), lực dính (c), và góc ma sát trong (φ). Mô hình này cho phép mô phỏng biến dạng dẻo và đàn hồi của đất trong quá trình thi công hố đào.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm Plaxis để mô phỏng quá trình thi công hố đào, phân tích chuyển vị tường vây và lún đất nền. FEM cho phép mô hình hóa tương tác kết cấu - đất, bao gồm các phần tử tiếp xúc giữa tường Barrette và đất nền với hệ số ma sát Rinter từ 0,7 đến 1.

Các khái niệm chính bao gồm:

  • Chuyển vị ngang của tường vây: Biến dạng ngang của tường chắn trong quá trình thi công, đặc biệt tại khu vực gần đáy hố đào.
  • Lún đất nền: Sự sụt giảm cao độ mặt đất xung quanh hố đào do thay đổi áp lực nước ngầm và tải trọng thi công.
  • Hạ mực nước ngầm: Quá trình giảm cao độ mực nước trong đất do bơm hút nước nhằm tạo điều kiện thi công khô ráo, ảnh hưởng đến ứng suất hữu hiệu và biến dạng đất.
  • Dòng chảy trong đất: Các loại dòng chảy như dòng chảy dưới chân tường vây, dòng chảy dọc theo thân tường, ảnh hưởng đến sự ổn định hố đào.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm:

  • Hồ sơ khảo sát địa chất công trình tại TP. Hồ Chí Minh, với các lớp đất cát và sét mềm có mực nước ngầm cao.
  • Dữ liệu quan trắc thực tế chuyển vị ngang tường vây và lún đất nền trong quá trình thi công hố đào sâu.
  • Thông số đầu vào mô hình Hardening Soil được hiệu chỉnh dựa trên kết quả quan trắc.

Phương pháp phân tích:

  • Mô phỏng quá trình thi công hố đào bằng phần mềm Plaxis sử dụng mô hình Hardening Soil và phần tử hữu hạn.
  • Phân tích ngược (back analysis) để điều chỉnh mô đun biến dạng đất sao cho kết quả mô phỏng phù hợp với số liệu quan trắc thực tế.
  • Đánh giá ảnh hưởng của việc hạ mực nước ngầm thông qua các kịch bản mô phỏng với các mức độ hạ mực nước khác nhau.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01 đến tháng 06 năm 2014, bao gồm khảo sát, thu thập dữ liệu, mô phỏng, phân tích và tổng hợp kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chuyển vị ngang tường vây lớn nhất tại đáy hố đào: Kết quả quan trắc thực tế cho thấy chuyển vị ngang tường vây đạt giá trị lớn nhất gần khu vực đáy hố đào, với mức chuyển vị có thể lên đến khoảng vài cm, phù hợp với kết quả mô phỏng khi sử dụng mô đun biến dạng Eref = 2300 kN/m² và Ey = 3Eref cho lớp đất cát.

  2. Lún đất nền quanh hố đào đáng kể: Lún mặt đất xung quanh hố đào lớn nhất xuất hiện cách tường vây khoảng 5m, với độ lún tăng dần theo thời gian thi công, đạt khoảng vài cm sau 62 ngày quan trắc. Vùng ảnh hưởng lún đất mở rộng gấp khoảng 20 lần độ sâu hố đào.

  3. Ảnh hưởng rõ rệt của việc hạ mực nước ngầm: Việc hạ mực nước ngầm trong quá trình thi công làm giảm cao độ nước ngầm bên ngoài hố đào, dẫn đến tăng chuyển vị ngang tường vây và lún đất nền. Mức độ tăng chuyển vị và lún có thể lên đến 30% so với trường hợp không hạ mực nước.

  4. Hiệu chỉnh mô đun biến dạng đất giúp mô phỏng chính xác: So sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc cho thấy mô hình Hardening Soil với mô đun biến dạng Eref = 2300 kN/m² cho lớp cát và hệ số Ey = 3Eref cho kết quả sát thực tế nhất, giúp kiểm chứng tính đúng đắn của các thông số đầu vào.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của chuyển vị và lún đất nền là do sự thay đổi áp lực nước ngầm và ứng suất hữu hiệu trong đất khi hạ mực nước ngầm. Dòng chảy nước dưới chân tường vây và trong đất nền làm giảm áp lực nước lỗ rỗng, tăng ứng suất đất, gây biến dạng lớn. Kết quả mô phỏng cho thấy sự tương quan chặt chẽ giữa mức độ hạ mực nước và biến dạng đất, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế về ảnh hưởng của dewatering đến ổn định hố đào.

So với các nghiên cứu trước đây, luận văn đã áp dụng mô hình Hardening Soil tiên tiến và phương pháp phân tích ngược để hiệu chỉnh thông số đất, nâng cao độ chính xác của dự báo chuyển vị và lún đất. Việc mô phỏng chi tiết các giai đoạn thi công và dòng chảy nước giúp hiểu rõ hơn cơ chế biến dạng đất nền trong điều kiện thực tế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị ngang tường vây theo chiều sâu hố đào, biểu đồ lún đất nền theo khoảng cách từ tường vây, và bảng so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc tại các thời điểm khác nhau.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát chặt chẽ quá trình hạ mực nước ngầm: Đề xuất thiết lập hệ thống giám sát mực nước ngầm liên tục, điều chỉnh lưu lượng bơm hút để hạn chế mức hạ mực nước, giảm thiểu biến dạng đất nền. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và tư vấn giám sát, trong suốt quá trình thi công hố đào.

  2. Sử dụng mô hình Hardening Soil trong thiết kế và phân tích: Áp dụng mô hình Hardening Soil với thông số mô đun biến dạng hiệu chỉnh dựa trên quan trắc thực tế để dự báo chính xác chuyển vị và lún đất, từ đó tối ưu biện pháp thi công và thiết kế tường vây. Chủ thể thực hiện: các kỹ sư thiết kế và tư vấn địa kỹ thuật.

  3. Thiết kế hệ thống tường vây và thanh chống phù hợp: Tăng cường độ dày tường vây và bố trí hệ thống thanh chống hợp lý nhằm giảm chuyển vị ngang, đặc biệt tại khu vực đáy hố đào. Thời gian thực hiện: giai đoạn thiết kế và thi công. Chủ thể: nhà thầu và tư vấn thiết kế.

  4. Triển khai quan trắc chuyển vị và lún đất nền liên tục: Lắp đặt hệ thống cảm biến chuyển vị tường vây và điểm đo lún đất nền quanh hố đào để phát hiện sớm các biến dạng vượt giới hạn, kịp thời điều chỉnh biện pháp thi công. Chủ thể: chủ đầu tư và đơn vị giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp mô hình hóa chính xác để thiết kế tường vây và hệ thống chống giữ hố đào sâu trong điều kiện nền đất yếu và mực nước ngầm cao.

  2. Nhà thầu thi công hố đào: Tham khảo các giải pháp kiểm soát hạ mực nước ngầm và biện pháp thi công Bottom-up nhằm giảm thiểu chuyển vị và lún đất nền, đảm bảo an toàn công trình và khu vực lân cận.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án: Sử dụng kết quả quan trắc và mô phỏng để xây dựng kế hoạch giám sát chuyển vị, lún đất nền, từ đó đưa ra cảnh báo và điều chỉnh kịp thời trong quá trình thi công.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành địa kỹ thuật xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình Hardening Soil, phương pháp phần tử hữu hạn và phân tích ảnh hưởng của hạ mực nước ngầm đến biến dạng đất nền.

Câu hỏi thường gặp

  1. Việc hạ mực nước ngầm ảnh hưởng như thế nào đến chuyển vị tường vây?
    Việc hạ mực nước ngầm làm giảm áp lực nước lỗ rỗng, tăng ứng suất hữu hiệu trong đất, dẫn đến tăng chuyển vị ngang của tường vây, đặc biệt tại khu vực đáy hố đào. Ví dụ tại công trình nghiên cứu, chuyển vị tăng khoảng 30% khi hạ mực nước.

  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 và biến dạng dẻo của đất mềm và cát, cho kết quả dự báo chuyển vị và lún sát với thực tế hơn, đặc biệt trong các công trình hố đào sâu.

  3. Phương pháp Bottom-up trong thi công hố đào là gì?
    Bottom-up là phương pháp thi công hố đào từ đáy lên, kết hợp hệ thống tường vây và thanh chống, giúp kiểm soát chuyển vị và lún đất nền hiệu quả trong điều kiện mực nước ngầm cao.

  4. Làm thế nào để hiệu chỉnh mô đun biến dạng đất trong mô hình?
    Sử dụng phương pháp phân tích ngược, so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế để điều chỉnh mô đun biến dạng sao cho kết quả mô phỏng phù hợp nhất, như trong nghiên cứu với Eref = 2300 kN/m².

  5. Vùng ảnh hưởng của lún đất nền quanh hố đào sâu là bao xa?
    Theo kết quả nghiên cứu, vùng ảnh hưởng lún đất nền có thể mở rộng gấp khoảng 20 lần độ sâu hố đào, tức là với hố đào sâu 14,3m, vùng ảnh hưởng có thể lên đến gần 300m.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích thành công ảnh hưởng của việc hạ mực nước ngầm đến chuyển vị tường Barrette và lún đất nền quanh hố đào sâu tại TP. Hồ Chí Minh.
  • Mô hình Hardening Soil kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn Plaxis cho kết quả mô phỏng sát với số liệu quan trắc thực tế, đặc biệt với mô đun biến dạng Eref = 2300 kN/m².
  • Việc hạ mực nước ngầm làm tăng đáng kể chuyển vị ngang tường vây và lún đất nền, ảnh hưởng đến an toàn công trình và các công trình lân cận.
  • Đề xuất các giải pháp kiểm soát hạ mực nước, thiết kế tường vây và giám sát chuyển vị nhằm đảm bảo ổn định hố đào.
  • Các bước tiếp theo bao gồm triển khai áp dụng mô hình trong các dự án thực tế, mở rộng nghiên cứu với các mô hình đất khác và phát triển hệ thống giám sát tự động.

Hành động khuyến nghị: Các kỹ sư và nhà quản lý dự án nên áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu thiết kế và thi công hố đào sâu, đồng thời tăng cường giám sát biến dạng nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả công trình.