Tổng quan nghiên cứu

Việc sử dụng không gian ngầm trong xây dựng công trình ngày càng phổ biến, đặc biệt tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Theo ước tính, các công trình có tầng hầm sâu từ 45m đến 60m với nhiều tầng hầm (6 tầng hầm tại công trình Sài Gòn Center) đang được thi công bằng phương pháp Top-Down nhằm đáp ứng yêu cầu về tiến độ và an toàn. Tuy nhiên, việc thi công tầng hầm sâu đặt ra thách thức lớn trong việc đảm bảo ổn định kết cấu chống đỡ, đặc biệt là ảnh hưởng của độ cứng sàn đến chuyển vị ngang của tường vây.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của độ cứng sàn đến chuyển vị của tường vây trong quá trình thi công tầng hầm bằng phương pháp Top-Down, dựa trên công trình thực tế Sài Gòn Center giai đoạn 2 & 3 tại quận 1, TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu tập trung vào việc xác định diện tích và vị trí lỗ mở trên sàn phù hợp để đảm bảo độ cứng sàn đủ lớn, từ đó kiểm soát chuyển vị tường vây trong giới hạn cho phép. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích kết cấu sàn và tường vây với chiều dày tường 1m, sàn dày 0,3m (riêng sàn B5 dày 1m), sử dụng phần mềm Etabs và Plaxis 2D để mô phỏng và so sánh với số liệu quan trắc thực tế.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện ở việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công tầng hầm sâu bằng phương pháp Top-Down, giúp tối ưu hóa hệ kết cấu chống đỡ, giảm thiểu rủi ro chuyển vị tường vây, đồng thời góp phần nâng cao hiệu quả thi công và an toàn công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản về sức bền vật liệu và cơ học đất, kết hợp với các mô hình tính toán hiện đại:

  • Lý thuyết kéo - nén đúng tâm: Xác định ứng suất và biến dạng dọc trục của thanh chịu lực, làm cơ sở cho phân tích độ cứng của sàn và hệ chống đỡ.
  • Mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil: Mô hình đất nền được sử dụng trong phần mềm Plaxis 2D để mô phỏng ứng xử đất nền dưới tác động thi công.
  • Mô hình kết cấu không gian: Sử dụng phần mềm Etabs để phân tích độ cứng dọc trục của sàn và hệ chống đỡ, đặc biệt trong điều kiện có lỗ mở trên sàn.
  • Khái niệm sàn phẳng chịu lực hỗ trợ thi công Top-Down: Sàn tầng hầm không dầm được xem như hệ chống chịu lực ngang cho tường vây, ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển vị tường.
  • Các yếu tố ảnh hưởng đến độ cứng sàn theo phương ngang: Bao gồm bề dày sàn, vị trí và kích thước lỗ mở, hệ số co ngót bê tông, và sự bố trí hệ chống trong lỗ mở.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng kết hợp phương pháp phân tích lý thuyết và mô phỏng số:

  • Nguồn dữ liệu: Số liệu địa chất, kết cấu và quan trắc chuyển vị tường vây tại công trình Sài Gòn Center giai đoạn 2 & 3.
  • Phương pháp phân tích:
    • Phân tích kết cấu không gian bằng phần mềm Etabs để xác định độ cứng dọc trục của sàn với các tỷ lệ diện tích lỗ mở khác nhau.
    • Phân tích phần tử hữu hạn bằng Plaxis 2D để mô phỏng chuyển vị ngang của tường vây trong từng giai đoạn thi công.
  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Mô hình tính toán dựa trên mặt cắt điển hình của công trình với chiều sâu tường vây từ 45m đến 60m, sàn dày 0,3m đến 1m, phù hợp với thực tế công trình.
  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2015, bao gồm thu thập số liệu, mô phỏng và đối chiếu kết quả với quan trắc thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng độ cứng sàn đến chuyển vị tường vây: Kết quả mô phỏng cho thấy khi độ cứng sàn tăng (độ cứng dọc trục EA đạt khoảng 8.0x10^5 kN/m cho sàn trệt và 7.0x10^5 kN/m cho sàn tầng hầm), chuyển vị ngang của tường vây giảm đáng kể, chênh lệch so với số liệu quan trắc thực tế chỉ từ 0,8mm đến 10,9mm, đảm bảo trong giới hạn cho phép.

  2. Tỷ lệ diện tích lỗ mở trên sàn: Thiết kế lỗ mở chiếm 17% diện tích sàn trệt và 24% diện tích sàn các tầng hầm là phù hợp để đảm bảo độ cứng sàn và kiểm soát chuyển vị tường. Khi tăng diện tích lỗ mở vượt quá mức này, chuyển vị tường vây tăng lên và có thể vượt giới hạn cảnh báo.

  3. So sánh phương pháp Top-Down và Bottom-Up: Theo phân tích tổng hợp từ các nghiên cứu trước, chuyển vị ngang tường vây thi công bằng phương pháp Top-Down thường lớn hơn khoảng 10% so với Bottom-Up, do ảnh hưởng của hệ sàn chịu lực và tiến trình thi công đồng thời.

  4. Ảnh hưởng vị trí và kích thước lỗ mở: Lỗ mở gần tường vây làm giảm độ cứng cục bộ của sàn, tăng chuyển vị tường. Do đó, vị trí lỗ mở cần được bố trí hợp lý, tránh gần tường vây để giảm thiểu ảnh hưởng tiêu cực.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự ảnh hưởng độ cứng sàn đến chuyển vị tường vây là do sàn tầng hầm đóng vai trò như hệ chống chịu lực ngang, phân phối và giảm áp lực đất lên tường vây. Khi độ cứng sàn giảm do lỗ mở lớn hoặc bố trí không hợp lý, khả năng chống đỡ giảm, dẫn đến tăng chuyển vị ngang của tường.

So với các nghiên cứu quốc tế tại Đài Bắc và Thượng Hải, kết quả nghiên cứu tại công trình Sài Gòn Center tương đồng về xu hướng ảnh hưởng của độ cứng sàn và tỷ lệ lỗ mở. Tuy nhiên, sự khác biệt về địa chất và quy mô công trình đòi hỏi điều chỉnh các thông số thiết kế phù hợp.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị ngang tường theo từng giai đoạn thi công và bảng so sánh độ cứng sàn với tỷ lệ lỗ mở, giúp trực quan hóa mối quan hệ và hỗ trợ quyết định thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Kiểm soát tỷ lệ diện tích lỗ mở trên sàn: Đề xuất giữ tỷ lệ lỗ mở không vượt quá 17% diện tích sàn trệt và 24% diện tích sàn tầng hầm để đảm bảo độ cứng sàn và hạn chế chuyển vị tường vây. Thời gian áp dụng: trong toàn bộ quá trình thi công tầng hầm. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công và đơn vị thiết kế kết cấu.

  2. Bố trí vị trí lỗ mở hợp lý: Tránh bố trí lỗ mở quá gần tường vây để giảm thiểu giảm độ cứng cục bộ, tăng cường bố trí dầm biên quanh chu vi sàn. Thời gian áp dụng: giai đoạn thiết kế và thi công. Chủ thể thực hiện: Kỹ sư thiết kế và giám sát thi công.

  3. Sử dụng phần mềm mô phỏng kết cấu và đất nền: Áp dụng đồng thời phần mềm Etabs và Plaxis 2D để dự báo chuyển vị tường vây theo từng giai đoạn thi công, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời. Thời gian áp dụng: trước và trong quá trình thi công. Chủ thể thực hiện: Đơn vị tư vấn thiết kế và giám sát.

  4. Gia tải trước hệ chống và sàn: Thực hiện gia tải trước hệ chống và sàn để tăng độ cứng ban đầu, giảm chuyển vị tường vây trong quá trình thi công. Thời gian áp dụng: giai đoạn chuẩn bị thi công. Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu công trình ngầm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học để thiết kế hệ kết cấu chống đỡ tầng hầm, đặc biệt trong việc xác định độ cứng sàn và bố trí lỗ mở phù hợp.

  2. Nhà thầu thi công tầng hầm bằng phương pháp Top-Down: Tham khảo các khuyến cáo về biện pháp thi công, kiểm soát chuyển vị tường vây, và tối ưu hóa tiến độ thi công.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án xây dựng: Sử dụng kết quả nghiên cứu để đánh giá an toàn thi công, dự báo chuyển vị và điều chỉnh kế hoạch thi công phù hợp.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Tài liệu tham khảo hữu ích về ứng dụng phần mềm mô phỏng kết cấu và đất nền, cũng như các phương pháp phân tích ảnh hưởng độ cứng sàn đến chuyển vị tường vây.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao độ cứng sàn lại ảnh hưởng lớn đến chuyển vị tường vây?
    Độ cứng sàn quyết định khả năng chống chịu lực ngang, phân phối áp lực đất lên tường vây. Sàn cứng giúp giảm chuyển vị ngang, ngược lại sàn yếu làm tăng chuyển vị, ảnh hưởng đến ổn định công trình.

  2. Làm thế nào để xác định tỷ lệ diện tích lỗ mở phù hợp trên sàn?
    Thông qua mô phỏng kết cấu bằng phần mềm Etabs và Plaxis 2D kết hợp với số liệu quan trắc thực tế, tỷ lệ lỗ mở được điều chỉnh để đảm bảo độ cứng sàn đủ lớn, hạn chế chuyển vị tường vây trong giới hạn cho phép.

  3. Phương pháp Top-Down có ưu điểm gì so với Bottom-Up?
    Top-Down cho phép thi công đồng thời tầng hầm và kết cấu trên mặt đất, rút ngắn tiến độ, giảm ảnh hưởng đến công trình lân cận. Tuy nhiên, chuyển vị tường vây thường lớn hơn Bottom-Up do ảnh hưởng của hệ sàn chịu lực.

  4. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu cho các công trình khác không?
    Kết quả phù hợp với các công trình có địa chất và quy mô tương tự, đặc biệt là công trình có chiều sâu tầng hầm từ 45m đến 60m và sử dụng phương pháp Top-Down. Cần điều chỉnh tham số cho từng trường hợp cụ thể.

  5. Phần mềm nào được sử dụng để phân tích và mô phỏng trong nghiên cứu?
    Phần mềm Etabs được dùng để phân tích kết cấu không gian và độ cứng sàn, Plaxis 2D dùng để mô phỏng ứng xử đất nền và chuyển vị tường vây theo phương pháp phần tử hữu hạn.

Kết luận

  • Độ cứng sàn tầng hầm là yếu tố quyết định ảnh hưởng lớn đến chuyển vị ngang của tường vây trong thi công bằng phương pháp Top-Down.
  • Tỷ lệ diện tích lỗ mở trên sàn trệt và tầng hầm nên được kiểm soát ở mức 17% và 24% tương ứng để đảm bảo độ cứng và ổn định kết cấu.
  • Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Etabs và Plaxis 2D phù hợp với số liệu quan trắc thực tế, chứng minh tính khả thi của phương pháp nghiên cứu.
  • Các khuyến cáo về bố trí lỗ mở và gia tải trước hệ chống giúp giảm thiểu chuyển vị tường, nâng cao an toàn thi công.
  • Nghiên cứu mở ra hướng tiếp tục phát triển mô hình tính toán và ứng dụng cho các công trình ngầm có điều kiện địa chất và quy mô tương tự.

Next steps: Áp dụng mô hình nghiên cứu cho các dự án thực tế, mở rộng phân tích ảnh hưởng của các yếu tố khác như áp lực nước ngầm, tải trọng động trong thi công.

Call-to-action: Các đơn vị thiết kế và thi công công trình ngầm nên tích hợp kết quả nghiên cứu vào quy trình làm việc để tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo an toàn thi công.