Phân Tích Ảnh Hưởng Của Mô Hình Nền Đến Dự Báo Chuyển Vị Và Biến Dạng Hố Đào Sâu

• Tác giả: ThS. Lê Phương
• Trường học: Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật Thành Phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Khoa Xây Dựng & Cơ Học Ứng Dụng
• Đề tài: Phân Tích Ảnh Hưởng Mô Hình Nền Đến Dự Báo Chuyển Vị Hố Đào Bằng Tường Chắn
• Loại tài liệu: luận văn
• Năm xuất bản: 2015
• Địa điểm: Thành Phố Hồ Chí Minh

• MỞ ĐẦU
• 1. CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ PHÂN TÍCH ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY TRONG THI CÔNG HỐ ĐÀO SÂU
• 1.1. Đặc điểm hố đào sâu
• 1.2. Khảo sát một số công trình hố đào sâu trên thế giới và ở nước ta
• 1.3. Các nhân tố ảnh hưởng đến ổn định chuyển vị ngang của tường vây trong hố đào sâu
• KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
• TÀI LIỆU THAM KHẢO

I. Phân tích ảnh hưởng mô hình nền

Đề tài nghiên cứu Phân tích ảnh hưởng của mô hình nền đến dự báo chuyển vị và biến dạng hố đào sâu ổn định bằng tường chắn tập trung vào việc đánh giá ảnh hưởng của các mô hình nền khác nhau (Mô hình Mohr-Coulomb và Mô hình Hardening Soil) lên độ chính xác của dự báo chuyển vị và biến dạng hố đào. Nghiên cứu nhấn mạnh sự cần thiết phải lựa chọn mô hình nền phù hợp với điều kiện địa chất cụ thể. Các hạn chế của mô hình Mohr-Coulomb, bao gồm việc không mô phỏng được các quan hệ phi tuyến của đất trước khi phá hoại, không tạo ra áp lực lỗ rỗng đáng tin cậy trong quá trình gia tải không thoát nước, và dự báo chuyển vị không đáng tin cậy, được đề cập. Mô hình Hardening Soil, như một giải pháp thay thế, được sử dụng để khắc phục những thiếu sót này. Tuy nhiên, việc kiểm chứng tính phù hợp của mô hình Hardening Soil với kết quả thực tế vẫn cần được hoàn thiện thêm. Nghiên cứu tập trung vào việc so sánh kết quả phân tích từ hai mô hình nền với số liệu quan trắc thực tế để lựa chọn mô hình và phương pháp phân tích tối ưu.

1.1 So sánh mô hình Mohr Coulomb và Hardening Soil

Nghiên cứu so sánh hai mô hình nền: Mô hình Mohr-Coulomb và Mô hình Hardening Soil. Mô hình Mohr-Coulomb, mặc dù đơn giản và dễ sử dụng, lại có những hạn chế đáng kể trong việc dự báo chuyển vị hố đào sâu, đặc biệt trong điều kiện đất yếu và mực nước ngầm cao. Các hạn chế này bao gồm: không mô phỏng được các quan hệ phi tuyến của đất trước khi phá hoại, không tạo ra áp lực lỗ rỗng đáng tin cậy trong quá trình gia tải không thoát nước, dự báo chuyển vị bên của tường và độ lún mặt không đáng tin cậy, và không tính đến module đàn hồi dở tải. Mô hình Hardening Soil, là một mô hình đàn hồi dẻo phi tuyến tính, được đề xuất để khắc phục những thiếu sót của mô hình Mohr-Coulomb. Nghiên cứu tập trung vào việc phân tích và so sánh kết quả từ hai mô hình này để đánh giá độ chính xác và phù hợp của chúng với điều kiện địa chất thực tế tại thành phố Hồ Chí Minh. Việc so sánh này bao gồm việc xem xét các thông số đầu vào, quá trình mô phỏng, và kết quả cuối cùng về chuyển vị và biến dạng hố đào. Kết quả so sánh giúp xác định mô hình nền phù hợp hơn cho việc dự báo chuyển vị hố đào trong các công trình cụ thể.

1.2 Ảnh hưởng của các yếu tố địa chất

Các yếu tố địa chất đóng vai trò quan trọng trong việc ảnh hưởng đến chuyển vị hố đào. Tính chất cơ lý của đất nền, bao gồm độ cứng, sức kháng cắt, hệ số thấm, và lịch sử chịu lực, là những yếu tố then chốt. Mực nước ngầm cũng ảnh hưởng đáng kể đến áp lực nước lỗ rỗng và do đó ảnh hưởng đến sự ổn định của hố đào. Nghiên cứu đề cập đến việc sử dụng các thông số địa chất thu được từ thí nghiệm hiện trường để làm đầu vào cho các mô hình nền. Việc xác định chính xác các thông số địa chất là rất quan trọng để đảm bảo độ tin cậy của kết quả phân tích. Nghiên cứu cũng xem xét ảnh hưởng của các công trình xung quanh lên sự ổn định của hố đào. Mật độ xây dựng và tính chất của các công trình lân cận có thể ảnh hưởng đến phân bố ứng suất và chuyển vị trong vùng đất xung quanh hố đào. Việc đánh giá đầy đủ các yếu tố địa chất và ảnh hưởng từ công trình lân cận là cần thiết để đưa ra các giải pháp thiết kế và thi công phù hợp.

II. Dự báo chuyển vị hố đào

Phần này tập trung vào phương pháp dự báo chuyển vị hố đào sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis. Nghiên cứu sử dụng hai phương pháp thi công phổ biến là Top-Down và Bottom-Up. Phương pháp Top-Down sử dụng bản sàn bê tông để chống đỡ tường chắn, trong khi phương pháp Bottom-Up sử dụng thanh chống tạm thời. Sự lựa chọn phương pháp thi công ảnh hưởng đến quá trình phân tích và dự báo. Nghiên cứu đã thực hiện mô phỏng phân tích trên các công trình thực tế tại Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh, bao gồm công trình Vietcombank Tower và Fosco Center. Kết quả mô phỏng được so sánh với quan trắc thực tế để đánh giá độ chính xác của các mô hình nền và phương pháp phân tích. Ứng dụng phần mềm Plaxis cho phép mô phỏng quá trình thi công và dự báo chuyển vị một cách chi tiết, giúp tối ưu hóa thiết kế và đảm bảo an toàn cho công trình.

2.1 Phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm Plaxis

Nghiên cứu sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH) để phân tích và dự báo chuyển vị hố đào. Phần mềm Plaxis 2D Foundation được sử dụng như một công cụ để thực hiện các mô phỏng số. Plaxis cho phép mô hình hóa chính xác các điều kiện địa chất phức tạp, bao gồm cả các thông số đất nền phi tuyến và áp lực nước lỗ rỗng. Việc sử dụng Plaxis giúp nghiên cứu đánh giá được ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau lên chuyển vị hố đào một cách chi tiết và hiệu quả. Phân tích thoát nước và không thoát nước được thực hiện để so sánh và đánh giá ảnh hưởng của thời gian cố kết đến chuyển vị. Phân tích kép (Couple Analysis), kết hợp giữa phân tích ứng suất và dòng chảy, cũng được sử dụng để mô phỏng chính xác hơn quá trình thi công hố đào. Việc sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn và phần mềm Plaxis cung cấp một nền tảng mạnh mẽ cho việc dự báo chuyển vị hố đào chính xác.

2.2 So sánh kết quả mô phỏng với quan trắc thực tế

Kết quả mô phỏng được so sánh với dữ liệu quan trắc thực tế thu thập từ các công trình Vietcombank Tower và Fosco Center. Việc so sánh này nhằm mục đích kiểm chứng tính chính xác của các mô hình nền và phương pháp phân tích được sử dụng. Các số liệu quan trắc bao gồm chuyển vị ngang của tường vây, độ lún của mặt đất, và áp lực nước lỗ rỗng. Sự phù hợp giữa kết quả mô phỏng và quan trắc thực tế cho thấy độ tin cậy của mô hình và phương pháp phân tích. Các sai số giữa kết quả mô phỏng và quan trắc được phân tích để tìm hiểu nguyên nhân và cải tiến phương pháp phân tích. Việc so sánh này cũng giúp xác định các hệ số hiệu chỉnh module đàn hồi của đất để cải thiện độ chính xác của dự báo chuyển vị hố đào trong tương lai.

III. Thiết kế tường chắn và giải pháp kỹ thuật

Nghiên cứu đề xuất các giải pháp kỹ thuật để thiết kế tường chắn và giảm thiểu chuyển vị hố đào. Việc lựa chọn mô hình nền phù hợp và phương pháp phân tích chính xác là nền tảng cho thiết kế tối ưu. Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tối ưu hóa thiết kế tường chắn, bao gồm việc lựa chọn vật liệu, độ dày, và hệ thống gia cố. Các tiêu chuẩn thiết kế tường chắn được xem xét để đảm bảo an toàn và độ bền của công trình. Nghiên cứu cũng đề cập đến việc sử dụng các phương pháp cải thiện đất nền, chẳng hạn như phụt vữa, để tăng cường khả năng chịu lực của đất và giảm thiểu chuyển vị. Việc quản lý rủi ro hố đào cũng được nhấn mạnh, bao gồm việc giám sát chặt chẽ quá trình thi công và thực hiện các biện pháp khắc phục kịp thời nếu phát hiện sự cố.

3.1 Tối ưu hóa thiết kế tường chắn

Nghiên cứu đề xuất các phương pháp tối ưu hóa thiết kế tường chắn dựa trên kết quả phân tích và mô phỏng. Việc lựa chọn vật liệu phù hợp, độ dày tường, và hệ thống gia cố đóng vai trò quan trọng trong việc giảm thiểu chuyển vị và đảm bảo an toàn cho công trình. Độ cứng của tường vây và hệ thống thanh chống được xem xét kỹ lưỡng. Phân tích ứng suất cho phép xác định các vùng chịu lực cao và các vùng cần gia cố thêm. Nghiên cứu đề cập đến các tiêu chuẩn thiết kế hiện hành và các khuyến nghị để đảm bảo an toàn và độ bền của tường chắn. Chi phí thi công cũng được xem xét như một yếu tố quan trọng trong quá trình tối ưu hóa thiết kế. Mục tiêu là tìm ra giải pháp tối ưu nhất, đảm bảo an toàn và hiệu quả về kinh tế.

3.2 Giám sát và quản lý rủi ro

Nghiên cứu nhấn mạnh tầm quan trọng của giám sát và quản lý rủi ro trong quá trình thi công hố đào. Giám sát chuyển vị tường vây và độ lún mặt đất được thực hiện thường xuyên để phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường. Các biện pháp khắc phục kịp thời cần được chuẩn bị sẵn sàng để ứng phó với các tình huống khẩn cấp. Việc quản lý rủi ro bao gồm việc lập kế hoạch chi tiết, lựa chọn các biện pháp an toàn phù hợp, và đào tạo đội ngũ thi công. An toàn thi công hố đào là ưu tiên hàng đầu. Phân tích rủi ro được thực hiện để đánh giá các yếu tố có thể gây ra sự cố và đưa ra các biện pháp phòng ngừa. Hiệu quả kinh tế của các giải pháp quản lý rủi ro cũng được xem xét.

Tổng quan nghiên cứu

Việc thi công hố đào sâu trong điều kiện đất yếu, đặc biệt là đất sét mềm, ngày càng trở nên phổ biến do nhu cầu phát triển không gian ngầm tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Theo báo cáo khảo sát, chiều sâu hố đào có thể lên đến khoảng 20-38 mét, điển hình như công trình Vietcombank Tower với hố đào sâu 38m. Tuy nhiên, quá trình đào sâu này thường gây ra chuyển vị ngang của tường chắn và biến dạng đất nền vượt quá giới hạn cho phép, ảnh hưởng nghiêm trọng đến các công trình lân cận. Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là phân tích ảnh hưởng của mô hình nền đất đến dự báo chuyển vị và biến dạng hố đào sâu ổn định bằng tường chắn, từ đó lựa chọn mô hình đất nền phù hợp và xác định hệ số hiệu chỉnh module đàn hồi của đất dựa trên so sánh với số liệu quan trắc thực tế tại các công trình ở Quận 1, TP. Hồ Chí Minh. Nghiên cứu tập trung vào hai phương pháp thi công phổ biến là Top-Down và Bottom-Up, sử dụng phần mềm phần tử hữu hạn Plaxis để mô phỏng và phân tích. Ý nghĩa của nghiên cứu thể hiện qua việc nâng cao độ chính xác trong dự báo chuyển vị tường vây, góp phần đảm bảo an toàn kết cấu và giảm thiểu rủi ro trong thi công hố đào sâu, đồng thời hỗ trợ thiết kế kinh tế và hiệu quả hơn cho các công trình ngầm đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai mô hình vật liệu đất nền chính trong phần mềm Plaxis: mô hình Mohr-Coulomb và mô hình Hardening Soil. Mô hình Mohr-Coulomb là mô hình đàn hồi dẻo thuần túy, sử dụng 5 thông số cơ bản gồm mô-đun đàn hồi E, hệ số Poisson ν, lực dính c, góc ma sát φ và góc giãn nở ψ, mô phỏng ứng xử đất theo tiêu chuẩn ma sát Coulomb. Tuy nhiên, mô hình này có hạn chế trong việc mô phỏng quan hệ phi tuyến và áp lực nước lỗ rỗng trong đất sét yếu. Mô hình Hardening Soil là mô hình đàn hồi dẻo phi tuyến, kết hợp quan hệ ứng suất-biến dạng theo đường Hyperbol, cho phép mô phỏng chính xác hơn sự biến dạng phi tuyến và sự thay đổi module đàn hồi theo ứng suất thực tế, bao gồm các thông số E50ref, Eurref và hệ số m điều chỉnh độ cứng đất. Các khái niệm chính bao gồm: chuyển vị ngang tường vây, biến dạng đất nền, áp lực nước lỗ rỗng, mô hình phần tử hữu hạn, và phân tích thoát nước – không thoát nước.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực tế quan trắc chuyển vị tường vây tại hai công trình hố đào sâu ở Quận 1, TP. Hồ Chí Minh: Vietcombank Tower và Fosco Center. Cỡ mẫu dữ liệu quan trắc bao gồm chuyển vị ngang tường vây theo các giai đoạn thi công đào đất từ mặt đất đến độ sâu khoảng 16-38m. Phương pháp phân tích chính là mô phỏng số bằng phần mềm Plaxis 2D Foundation, sử dụng phương pháp phần tử hữu hạn để mô phỏng ứng xử tường vây và đất nền. Hai mô hình nền đất Mohr-Coulomb và Hardening Soil được áp dụng để so sánh kết quả dự báo chuyển vị với số liệu quan trắc thực tế. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 01/2014 đến 03/2015, bao gồm thu thập số liệu, thiết lập mô hình, phân tích mô phỏng, so sánh và hiệu chỉnh thông số mô hình. Phương pháp chọn mẫu dựa trên các công trình điển hình có điều kiện địa chất và thi công đại diện cho khu vực nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

1. Ảnh hưởng của mô hình nền đến dự báo chuyển vị: Kết quả phân tích cho thấy mô hình Hardening Soil dự báo chuyển vị ngang tường vây gần sát với số liệu quan trắc thực tế hơn mô hình Mohr-Coulomb. Ví dụ, tại công trình Vietcombank Tower, chuyển vị ngang dự báo bằng Hardening Soil sai số dưới 10% so với quan trắc, trong khi mô hình Mohr-Coulomb thường dự báo chuyển vị lớn hơn khoảng 20-30%.

2. Tác động của độ cứng đất nền: Việc hiệu chỉnh module đàn hồi dỡ tải Eur trong mô hình Hardening Soil có ảnh hưởng rõ rệt đến kết quả chuyển vị. Khi Eur được điều chỉnh từ 3 đến 5 lần E50, chuyển vị ngang tường vây thay đổi không đáng kể, cho thấy độ cứng đất nền có ảnh hưởng giới hạn trong phạm vi này.

3. Phân tích theo phương pháp thi công: Mô phỏng theo phương pháp Top-Down và Bottom-Up cho thấy sự khác biệt về chuyển vị tường vây, trong đó Top-Down có xu hướng giảm chuyển vị do sàn bê tông bản sàn hỗ trợ chống đỡ tường chắn trong quá trình thi công.

4. Ảnh hưởng của phân tích thoát nước và không thoát nước: Phân tích không thoát nước cho kết quả chuyển vị lớn hơn phân tích thoát nước, đặc biệt trong giai đoạn thi công nhanh, phù hợp với đặc tính đất sét yếu có hệ số thấm thấp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính khiến mô hình Hardening Soil cho kết quả chính xác hơn là do khả năng mô phỏng quan hệ phi tuyến giữa ứng suất và biến dạng, cũng như tính đến sự thay đổi module đàn hồi theo trạng thái ứng suất thực tế của đất nền. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả này phù hợp với nhận định của các chuyên gia địa kỹ thuật về ưu điểm của mô hình Hardening Soil trong phân tích hố đào sâu. Việc phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn với Plaxis giúp trực quan hóa chuyển vị tường vây qua biểu đồ chuyển vị theo chiều sâu và thời gian thi công, hỗ trợ đánh giá mức độ an toàn và hiệu quả biện pháp thi công. Kết quả cũng nhấn mạnh tầm quan trọng của việc lựa chọn mô hình nền phù hợp và hiệu chỉnh thông số mô hình dựa trên số liệu quan trắc thực tế để nâng cao độ tin cậy trong thiết kế và thi công hố đào sâu.

Đề xuất và khuyến nghị

1. Áp dụng mô hình Hardening Soil trong thiết kế hố đào sâu: Khuyến nghị các kỹ sư địa kỹ thuật sử dụng mô hình Hardening Soil để phân tích chuyển vị tường vây, đặc biệt trong điều kiện đất sét yếu và thi công theo phương pháp Top-Down hoặc Bottom-Up. Thời gian áp dụng: ngay lập tức trong các dự án mới.

2. Hiệu chỉnh module đàn hồi dựa trên số liệu quan trắc: Đề xuất xây dựng quy trình hiệu chỉnh hệ số module đàn hồi Eur và E50 từ kết quả quan trắc thực tế để nâng cao độ chính xác dự báo chuyển vị. Chủ thể thực hiện: các đơn vị tư vấn thiết kế và giám sát thi công.

3. Tăng cường hệ thống quan trắc chuyển vị tường vây: Lắp đặt hệ thống quan trắc chuyển vị tường vây và áp lực nước lỗ rỗng trong quá trình thi công để theo dõi và điều chỉnh kịp thời biện pháp thi công, giảm thiểu rủi ro. Thời gian: trong suốt quá trình thi công.

4. Đào tạo và nâng cao năng lực sử dụng phần mềm phân tích: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về phần mềm Plaxis và mô hình Hardening Soil cho kỹ sư địa kỹ thuật nhằm đảm bảo việc mô phỏng và phân tích chính xác, hiệu quả. Chủ thể: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

1. Kỹ sư địa kỹ thuật và thiết kế kết cấu: Giúp hiểu rõ hơn về ảnh hưởng của mô hình nền đến chuyển vị tường vây, từ đó lựa chọn mô hình và thông số phù hợp cho thiết kế hố đào sâu.

2. Chuyên gia giám sát thi công công trình ngầm: Cung cấp cơ sở khoa học để theo dõi và đánh giá chuyển vị tường chắn trong quá trình thi công, đảm bảo an toàn công trình.

3. Nhà quản lý dự án xây dựng đô thị: Hỗ trợ trong việc ra quyết định lựa chọn phương án thi công và biện pháp kiểm soát rủi ro liên quan đến hố đào sâu trong khu vực đô thị mật độ cao.

4. Giảng viên và sinh viên ngành xây dựng, địa kỹ thuật: Là tài liệu tham khảo chuyên sâu về ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn và mô hình vật liệu đất nền trong phân tích hố đào sâu.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao cần lựa chọn mô hình đất nền phù hợp trong phân tích hố đào sâu?
   Mô hình đất nền quyết định độ chính xác của dự báo chuyển vị và biến dạng đất. Mô hình không phù hợp có thể dẫn đến dự báo sai lệch, gây nguy hiểm cho công trình và lân cận. Ví dụ, mô hình Mohr-Coulomb thường dự báo chuyển vị lớn hơn thực tế trong đất sét yếu.

2. Mô hình Hardening Soil có ưu điểm gì so với Mohr-Coulomb?
   Hardening Soil mô phỏng quan hệ phi tuyến giữa ứng suất và biến dạng, tính đến sự thay đổi module đàn hồi theo ứng suất thực tế, giúp dự báo chuyển vị chính xác hơn, đặc biệt trong đất sét yếu và thi công hố đào sâu.

3. Phân tích thoát nước và không thoát nước khác nhau như thế nào?
   Phân tích không thoát nước tính đến áp lực nước lỗ rỗng chưa tiêu tán, phù hợp với giai đoạn thi công nhanh hoặc đất có hệ số thấm thấp. Phân tích thoát nước giả định áp lực nước lỗ rỗng đã tiêu tán, phù hợp với giai đoạn lâu dài hoặc đất thấm tốt.

4. Làm thế nào để hiệu chỉnh module đàn hồi của đất?
   Hiệu chỉnh dựa trên so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế chuyển vị tường vây, điều chỉnh hệ số module đàn hồi Eur và E50 để mô hình phản ánh đúng ứng xử thực tế của đất nền.

5. Phương pháp thi công Top-Down và Bottom-Up ảnh hưởng thế nào đến chuyển vị tường vây?
   Top-Down sử dụng sàn bê tông bản sàn để chống đỡ tường chắn trong quá trình thi công, giúp giảm chuyển vị ngang. Bottom-Up sử dụng hệ thanh chống tạm thời, chuyển vị tường có thể lớn hơn do thiếu sự hỗ trợ liên tục từ sàn bê tông.

Kết luận

• Mô hình Hardening Soil cho kết quả dự báo chuyển vị tường vây hố đào sâu chính xác hơn mô hình Mohr-Coulomb, phù hợp với điều kiện đất sét yếu tại TP. Hồ Chí Minh.
• Việc hiệu chỉnh module đàn hồi dựa trên số liệu quan trắc thực tế là cần thiết để nâng cao độ tin cậy của mô hình phân tích.
• Phân tích theo phương pháp phần tử hữu hạn với Plaxis hỗ trợ trực quan và chính xác trong thiết kế và giám sát thi công hố đào sâu.
• Nghiên cứu đề xuất quy trình mô phỏng và khuyến nghị áp dụng cho các công trình hố đào sâu tại khu vực đô thị mật độ cao.
• Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu với các công trình khác và đào tạo kỹ sư sử dụng mô hình Hardening Soil trong thực tế thiết kế và thi công.

Hành động ngay: Các đơn vị thiết kế và thi công nên áp dụng mô hình Hardening Soil và tăng cường quan trắc chuyển vị để đảm bảo an toàn và hiệu quả thi công hố đào sâu.