Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh, nhu cầu khai thác không gian ngầm để xây dựng bãi đỗ xe và hạ tầng kỹ thuật đã trở thành xu thế tất yếu. Hơn 70% các dự án cao tầng hiện đại tại khu vực trung tâm đều thiết kế từ 3 đến 5 tầng hầm sâu trong điều kiện mặt bằng xây chen dày đặc. Quá trình đào đất sâu giải phóng trường ứng suất nguyên thủy trong lòng đất, gây ra chuyển vị ngang của tường chắn và kéo theo sự lún sùi bề mặt địa hình lân cận. Do đó, việc kiểm soát biến dạng của kết cấu chắn giữ hố đào là bài toán sống còn nhằm bảo đảm an toàn cho bản thân công trình cũng như hệ thống kiến trúc kế cận.

Luận văn thạc sĩ chuyên ngành Địa Kỹ thuật Xây dựng tập trung nghiên cứu chuyên sâu về ứng xử cơ học và chuyển vị ngang của tường vây bê tông cốt thép trong công nghệ thi công Top-Down, đặt trọng tâm vào ảnh hưởng từ độ cứng của hệ sàn tầng hầm có bố trí các lỗ mở phục vụ thi công đào đất và vận chuyển vật tư. Mục tiêu cụ thể của đề tài là phân tích cơ chế làm việc đồng thời giữa đất nền và kết cấu chống đỡ, xác định mức độ suy giảm độ cứng sàn do kích thước và vị trí lỗ mở, đồng thời so sánh độ tin cậy giữa mô phỏng số 2D, 3D với dữ liệu quan trắc thực địa.

Nghiên cứu được triển khai thực nghiệm thông qua hồ sơ công trình thực tế Deutsches Haus (Tòa nhà Ngôi nhà Đức) tọa lạc tại số 3-5 Lê Văn Hưu, Phường Bến Nghé, Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh. Dự án sở hữu quy mô 4 tầng hầm với cao độ đáy đào thông thường đạt -16.25m và khu vực hố pit thang máy đào sâu cục bộ đến -21.55m. Hệ thống giữ thành sử dụng tường vây bê tông dày 600mm, cắm sâu 44.5m vào tầng đất chịu lực tốt. Nghiên cứu mang giá trị thực tiễn to lớn khi cung cấp giải pháp tối ưu hóa hình học lỗ mở sàn, kiểm soát chuyển vị ngang đỉnh tường thực tế ở mức 31.4mm, giúp giảm thiểu 20% rủi ro nứt lún công trình lân cận và tiết kiệm đáng kể chi phí gia cường kết cấu.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng trên nền tảng lý thuyết tương tác đất - kết cấu (Soil-Structure Interaction), lý thuyết áp lực đất biểu kiến của Peck (1969) và cơ học đất phi tuyến hiện đại. Ba khái niệm cốt lõi được phát triển xuyên suốt bao gồm: độ cứng màng sàn trong mặt phẳng (In-plane Diaphragm Stiffness), hiệu ứng vòm không gian ba chiều (Spatial Arching Effect) của kết cấu chắn giữ và cơ chế truyền lực xô ngang qua hệ cọc chống tạm Kingpost.

Về mô hình vật liệu đất nền, tác giả áp dụng mô hình tăng bền đẳng hướng Hardening Soil (HS) được phát triển bởi Schanz (1998) nhằm thay thế cho mô hình đàn dẻo lý tưởng Mohr-Coulomb (MC) vốn thường đánh giá sai lệch biến dạng hố đào. Mô hình Hardening Soil tích hợp đồng thời hai cơ chế tăng bền: tăng bền chống cắt khi chịu ứng suất lệch và tăng bền chống nén khi chịu tải trọng đẳng hướng. Hệ thống tham số độ cứng đất nền được xác định độc lập thông qua ba đại lượng đặc trưng: mô đun cát tuyến ba trục thoát nước $E_{50}^{ref}$, mô đun tiếp tuyến nén cố kết $E_{oed}^{ref}$ và mô đun gia tải/dở tải đàn hồi $E_{ur}^{ref}$ với quy chuẩn mặc định $E_{ur}^{ref} = 3 E_{50}^{ref}$, kết hợp ứng suất tham chiếu tiêu chuẩn $p^{ref} = 100 kN/m^2$ và hệ số phá hoại $R_f = 0.9$.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu địa kỹ thuật đầu vào được trích xuất từ báo cáo khảo sát hiện trường gồm 6 hố khoan sâu từ 100m đến 120m (BH1 đến BH6) phân bố đều trên mặt bằng xây dựng, thu thập 320 mẫu đất nguyên dạng để thí nghiệm nén ba trục cố kết thoát nước (CD) và nén không nở hông. Phương pháp chọn mẫu áp dụng theo tiêu chuẩn lấy mẫu liên tục tại các lớp địa tầng từ đất sét pha dẻo mềm đến cát sét chặt vừa có chỉ số SPT đạt giá trị trung bình N = 34.

Quy trình phân tích số kết hợp phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) qua hai bước: sử dụng phần mềm ETABS 2016 v2 để phân tích độ cứng màng sàn thực tế khi có xét đến lỗ mở thi công, sau đó tích hợp vào phần mềm Plaxis 2D Foundation để đánh giá chuyển vị phẳng mặt cắt đại diện A-A. Tiếp theo, mô hình Plaxis 3D Foundation toàn diện được thiết lập nhằm mô phỏng trọn vẹn 6 giai đoạn đào đất hạ mực nước ngầm và thi công 4 tầng sàn bê tông cốt thép. Việc lựa chọn Plaxis 3D là giải pháp bắt buộc để phản ánh chính xác tính bất đối xứng của hệ dầm bo, hình học lỗ mở và hiệu ứng góc hố móng mà mô hình 2D không thể biểu diễn hoàn chỉnh. Toàn bộ quá trình nghiên cứu và xử lý số liệu được hoàn thành trong khung thời gian 5 tháng từ tháng 07/2017 đến tháng 12/2017.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Phân tích số liệu quan trắc thực tế và kết quả mô phỏng số đã làm sáng tỏ 4 phát hiện địa kỹ thuật cốt lõi:

Thứ nhất, chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây ghi nhận ngoài hiện trường đạt 31.4mm tại giai đoạn đào đất sâu nhất -21.55m ở khu vực hố pit thang máy, hoàn toàn nằm trong giới hạn biến dạng an toàn của quy chuẩn xây dựng đô thị.

Thứ hai, mô hình Plaxis 3D Foundation cho kết quả chuyển vị tương thích vượt trội với số liệu đo đạc thực tế, sai số biên độ chỉ dao động dưới 5%. Ngược lại, phân tích Plaxis 2D kết hợp ETABS dự báo chuyển vị ngang lên đến 39.8mm, tức cao hơn thực tế khoảng 26.8% do giả thiết bài toán biến dạng phẳng bỏ qua sự hỗ trợ không gian của các phân vùng sàn liên tục.

Thứ ba, sự hiện diện của các lỗ mở sàn thi công gây suy giảm độ cứng cục bộ của bản sàn từ 20% đến 45% tùy theo diện tích phân vùng (Zone). Tại các vị trí sàn L1 và B4 liền kề lỗ mở lớn, chuyển vị tường vây tăng thêm từ 18% đến 25% so với các phân vùng sàn đặc.

Thứ tư, ứng xử lún mặt đất sau lưng tường vây xuất hiện theo dạng hình lòng máng (concave type) với độ lún bề mặt cực đại đạt 23.5mm tại khoảng cách cách tường từ 8m đến 12m, thỏa mãn quan hệ kinh nghiệm độ lún cực đại bằng khoảng 0.75 lần chuyển vị ngang lớn nhất của tường chắn.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân dẫn đến sự khác biệt giữa mô phỏng 2D và 3D bắt nguồn từ hiệu ứng vòm không gian (Arching effect). Tường vây bê tông cốt thép có độ cứng chống uốn trong mặt phẳng rất lớn, cho phép phân phối lại ứng suất cục bộ về phía các góc hố đào và các dải sàn đặc lân cận. Khi tiến hành đào đất qua các mốc cao độ -2.9m, -5.3m, -9.0m, -12.4m, -16.25m và -21.55m, lực xô ngang của đất tác động lên tường được hệ dầm bo và Kingpost truyền tải vào hệ sàn tầng hầm đóng vai trò như các thanh chống cứng vĩnh cửu.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế của Gordon Tung-Chin Kung trên 26 hố đào tại Đài Bắc, kết quả luận văn tái khẳng định rằng phương pháp Top-Down tạo ra chuyển vị ngang trung bình lớn hơn phương pháp Bottom-Up khoảng 1.1 lần do ảnh hưởng của biến dạng co ngót ban đầu của bê tông sàn và khoảng cách không có kết tạm thời. Đồng thời, việc ứng dụng mô hình Hardening Soil đã khắc phục triệt để hiện tượng ước tính sai lệch từ 2 đến 6 lần của mô hình Mohr-Coulomb từng được chỉ ra trong các công trình lân cận như Vietcombank Tower.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua đồ thị đường cong quan hệ chuyển vị ngang theo chiều sâu đào hố móng từ 0m đến -44.5m kết hợp bảng ma trận so sánh độ cứng suy giảm giữa các Zone trên mặt bằng sàn L1 và B4. Cách thức trình bày dữ liệu dạng bảng đối chiếu chuyển vị $U_x, U_y, U_z$ cùng biểu đồ phân bố mô men uốn giúp kỹ sư dễ dàng nhận diện vị trí nguy hiểm cần gia cường.

Đề xuất và khuyến nghị

Nhằm nâng cao hệ số an toàn và tối ưu hóa chi phí khi thi công tầng hầm sâu bằng phương pháp Top-Down, luận văn đề xuất 4 giải pháp kỹ thuật cụ thể:

  1. Khống chế diện tích lỗ mở sàn thi công dưới 15% tổng diện tích mặt bằng mỗi tầng hầm, bố trí so le các lỗ mở theo phương đứng giữa các tầng sàn nhằm tránh tạo nên trục suy yếu liên tục; bổ sung hệ dầm bo biên bằng thép hình hoặc bê tông tăng cường để bù đắp tối thiểu 30% độ cứng màng sàn bị thiếu hụt, giúp triệt tiêu hiện tượng tập trung chuyển vị cục bộ. Chủ thể thực hiện: Đơn vị tư vấn thiết kế kết cấu; Thời gian áp dụng: Giai đoạn lập hồ sơ thiết kế kỹ thuật thi công.

  2. Chuẩn hóa quy trình mô phỏng số 3D bắt buộc đối với các hố đào sâu trên 15m có hình học phức tạp, sử dụng mô hình vật liệu Hardening Soil với các chỉ tiêu thí nghiệm ba trục CD và nén cố kết chính xác nhằm kiểm soát sai số dự báo chuyển vị dưới ngưỡng 8%. Chủ thể thực hiện: Đơn vị tư vấn địa kỹ thuật chuyên sâu; Thời gian áp dụng: 1 đến 2 tháng trước ngày khởi công đào đất.

  3. Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị tự động đa chỉ tiêu theo thời gian thực gồm ống đo nghiêng Inclinometer trong thân tường vây, cảm biến áp lực nước lỗ rỗng Piezometer và mốc đo lún bề mặt với chu kỳ đo đạc 2 lần mỗi ngày trong các đợt hạ tầng đào chính; kích hoạt phương án kích tải bổ sung khi chuyển vị ngang vượt quá ngưỡng 2.0 mm/ngày hoặc đạt 80% giá trị giới hạn tính toán (khoảng 25.0 mm). Chủ thể thực hiện: Nhà thầu thi công chính phối hợp đơn vị quan trắc độc lập; Thời gian áp dụng: Suốt tiến độ 18 đến 24 tháng thi công phần ngầm.

  4. Bố trí hệ thanh chống tạm (shoring) dạng thép hình hoặc giằng chéo tăng cường tại các nhịp dầm có bước cột Kingpost lớn hơn 8.4m nhằm giữ ổn định chuyển vị tường chắn trước khi tiến hành đổ bê tông bản sàn tầng kế tiếp. Chủ thể thực hiện: Đội ngũ kỹ sư hiện trường và tư vấn giám sát; Thời gian áp dụng: Trực tiếp tại từng giai đoạn đào đất hạ cốt sàn.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nội dung và kết quả nghiên cứu của luận văn mang lại giá trị thực tiễn cao cho 4 nhóm đối tượng chuyên môn:

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật công trình ngầm: Cung cấp phương pháp luận chuẩn xác để tính toán độ cứng tương đương của sàn bê tông có lỗ mở qua ETABS và thiết lập thông số mô hình đất Hardening Soil trong Plaxis 3D, ứng dụng trực tiếp cho các dự án nhà cao tầng có từ 3 đến 6 tầng hầm.

  2. Nhà thầu thi công và chỉ huy trưởng công trình cao tầng: Nắm bắt quy trình tổ chức thi công đào đất Top-Down an toàn qua từng bước cao độ, biện pháp bố trí hệ cọc thép Kingpost và phương án gia cố lỗ đón vật tư nhằm đảm bảo tiến độ mà không gây tổn hại kết cấu chắn giữ.

  3. Cán bộ nghiên cứu, giảng viên và học viên cao học chuyên ngành Địa kỹ thuật - Xây dựng công trình ngầm: Khai thác bộ cơ sở dữ liệu thực nghiệm 6 hố khoan địa chất sâu 120m và các thông số cơ lý chi tiết của khu vực Quận 1, Thành phố Hồ Chí Minh phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu mô hình hóa tương tác đất - kết cấu.

  4. Chủ đầu tư và các đơn vị tư vấn quản lý dự án, tư vấn giám sát: Có cơ sở khoa học vững chắc để thẩm tra biện pháp thi công tầng hầm, đánh giá rủi ro chuyển vị hố móng đô thị và tiết kiệm từ 10% đến 15% kinh phí xử lý sự cố công trình phụ cận.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp thi công Top-Down ảnh hưởng như thế nào đến độ lớn chuyển vị ngang của tường vây so với phương pháp Bottom-Up? Nghiên cứu trên 26 hố đào sâu cho thấy phương pháp Top-Down tạo ra chuyển vị ngang trung bình lớn hơn phương pháp Bottom-Up từ 1.1 đến 1.28 lần. Nguyên nhân chủ yếu do biến dạng co ngót ban đầu của sàn bê tông tầng hầm và khoảng thời gian chờ bê tông đạt cường độ trước khi sàn phát huy vai trò chống đỡ thành vách hố móng.

  2. Kích thước và vị trí lỗ mở sàn thi công tác động ra sao đến ứng xử của tường vây? Lỗ mở sàn làm suy giảm từ 20% đến 45% độ cứng màng sàn tại phân vùng chứa lỗ mở. Sự khuyết thiếu diện tích truyền lực này khiến tường vây tại khu vực giáp lỗ mở có xu hướng phình ngang vào trong hố đào nhiều hơn 25% so với khu vực sàn đặc liên tục, đòi hỏi phải bố trí dầm bo biên gia cường chịu lực.

  3. Tại sao mô hình Hardening Soil được ưu tiên sử dụng thay thế mô hình Mohr-Coulomb trong tính toán hố đào sâu? Mô hình Mohr-Coulomb coi đất là vật liệu đàn dẻo lý tưởng nên thường dự báo chuyển vị lớn gấp 2 đến 6 lần thực tế do không xét đến tính phụ thuộc ứng suất và sự tăng bền khi dở tải. Mô hình Hardening Soil tích hợp ba mô đun độ cứng riêng biệt, giúp phản ánh chính xác 95% ứng xử biến dạng của nền đất chịu dở tải đáy móng.

  4. Khi nào kỹ sư bắt buộc phải áp dụng mô hình Plaxis 3D thay vì mô hình Plaxis 2D? Khi hố đào sâu trên 15m có mặt bằng phi đối xứng, bố trí nhiều lỗ mở sàn lớn hoặc hố móng có tỷ lệ chiều dài trên chiều rộng không quá lớn. Mô hình Plaxis 2D thường ước tính chuyển vị vượt mức thực tế từ 18% đến 28% do không thể mô phỏng hiệu ứng vòm không gian ba chiều tại các góc hố đào.

  5. Biện pháp nào hiệu quả nhất để kiểm soát chuyển vị tường chắn tại các tầng có lỗ mở sàn lớn? Giải pháp tối ưu là kết hợp bố trí dầm bo biên bê tông cốt thép dự ứng lực xung quanh lỗ mở, khống chế diện tích mở dưới 15% diện tích sàn và lắp đặt hệ thanh chống thép hình tạm thời để bù đắp 30% độ cứng bị thiếu hụt trước khi đào đất xuống tầng sâu hơn.

Kết luận

  • Đề tài đã làm sáng tỏ cơ chế tương tác phức tạp giữa độ cứng màng sàn tầng hầm có lỗ mở và chuyển vị ngang của tường vây bê tông cốt thép trong công nghệ thi công Top-Down.
  • Mô hình số Plaxis 3D Foundation kết hợp mô hình vật liệu Hardening Soil đã chứng minh tính chuẩn xác vượt trội khi tái hiện thành công biến dạng thực tế của tòa nhà Deutsches Haus với sai số dưới 5% so với giá trị quan trắc đỉnh 31.4mm.
  • Nghiên cứu đóng góp giải pháp phân vùng sàn (Zone) và phương pháp xác định độ cứng tương đương qua phần mềm ETABS, giải quyết triệt để bài toán bố trí lỗ mở thi công an toàn trong công trình ngầm đô thị.
  • Bộ thông số địa kỹ thuật từ 6 hố khoan sâu 120m và các giá trị mô đun biến dạng ba trục cung cấp nguồn tư liệu học thuật giá trị cao cho ngành xây dựng Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Kỹ sư và các đơn vị thiết kế được khuyến nghị mở rộng nghiên cứu trong vòng 12 đến 24 tháng tới về ảnh hưởng của dao động mực nước ngầm triều cường và từ biến bê tông dài hạn nhằm hoàn thiện quy chuẩn thiết kế hố đào sâu tại Việt Nam.