Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển kinh tế và đô thị hóa nhanh chóng tại Việt Nam, đặc biệt ở các thành phố lớn như TP. Hồ Chí Minh, nhu cầu khai thác không gian ngầm ngày càng gia tăng. Theo ước tính, việc xây dựng các công trình ngầm sâu như tầng hầm đã tạo ra nhiều hồ đào sâu với kích thước lớn, nằm trên nền đất có địa chất phức tạp. Chuyển vị ngang và độ lún vượt giới hạn cho phép là nguyên nhân chính gây ra thiệt hại cho các công trình lân cận, ảnh hưởng nghiêm trọng đến an toàn và chất lượng công trình.

Luận văn tập trung nghiên cứu giải pháp phun vữa áp lực cao (Jet Grouting) nhằm xử lý đáy hồ đào sâu, giảm chuyển vị ngang tường vây và tăng tính ổn định cho công trình. Mục tiêu cụ thể là phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến chuyển vị ngang của tường vây trong điều kiện đất yếu, mô phỏng hiệu quả của giải pháp Jet Grouting bằng phương pháp phần tử hữu hạn, đồng thời đánh giá khả năng chống đẩy trồi đáy hố đào. Nghiên cứu được thực hiện trên công trình tầng hầm cao ốc phức hợp tại TP. Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2017, với dữ liệu quan trắc thực tế và mô phỏng số.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng công nghệ Jet Grouting trong xử lý nền đất yếu, góp phần nâng cao độ ổn định công trình, giảm thiểu rủi ro chuyển vị và lún nền, đồng thời mang lại hiệu quả kinh tế trong thi công các công trình ngầm sâu tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai mô hình lý thuyết chính để phân tích chuyển vị tường vây và hiệu quả của giải pháp Jet Grouting:

  • Mô hình Mohr-Coulomb (MC): Mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng, mô phỏng đất nền với các thông số cơ bản như cường độ cắt, hệ số Poisson, mô đun đàn hồi. Mô hình này phù hợp với nhiều loại đất nền và cho phép tính toán nhanh chóng, tuy nhiên không phản ánh đầy đủ sự phụ thuộc của độ cứng đất vào ứng suất và quá trình tái bền.

  • Mô hình Hardening Soil (HS): Mô hình tiên tiến hơn, mô phỏng sự tái bền của đất nền theo hai dạng: tái bền chống cắt và tái bền chống nén. Mô hình này cho phép mô phỏng chính xác hơn sự thay đổi độ cứng của đất theo ứng suất và lộ trình ứng suất, phù hợp với đất cứng và đất mềm.

Ngoài ra, luận văn sử dụng hai phương pháp mô phỏng vật liệu trong phân tử hữu hạn để đánh giá hiệu quả Jet Grouting:

  • Phương pháp RAS (Real Allocation Simulation): Mô phỏng riêng biệt đất nền và cọc Jet Grouting theo tính chất thực tế, cho phép phân tích chi tiết tương tác giữa các vật liệu.

  • Phương pháp EMS (Equivalent Material Simulation): Mô phỏng vật liệu tương đương, xem cọc Jet Grouting và đất nền làm việc như một khối duy nhất, giúp giảm khối lượng tính toán và thời gian mô phỏng.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: chuyển vị ngang tường vây, cọc Jet Grouting (soilcrete), và hệ số an toàn chống đẩy trồi đáy hố đào.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu quan trắc chuyển vị tường vây tại công trình cao ốc phức hợp Mandison, số 15 Thi Sách, TP. Hồ Chí Minh, cùng các thông số địa chất và vận hành thiết bị Jet Grouting thu thập thực tế.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis 2D để mô phỏng bài toán tường vây tầng hầm có gia cường băng Jet Grouting, áp dụng mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil. Các phương án gia cố với tỷ lệ cọc Jet Grouting khác nhau được mô phỏng để đánh giá ảnh hưởng đến chuyển vị ngang và độ lún nền.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2017, bao gồm khảo sát hiện trường, thu thập số liệu, mô phỏng và phân tích kết quả. Phương pháp phân tích số được lựa chọn nhằm xử lý khối lượng tính toán lớn và đảm bảo độ chính xác cao trong dự báo chuyển vị và ổn định công trình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây tập trung gần đáy hố đào: Kết quả mô phỏng và quan trắc thực tế cho thấy chuyển vị ngang lớn nhất đạt khoảng 0.5% chiều sâu hố đào, tập trung chủ yếu ở khu vực đáy, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế. Ví dụ, khi chiều sâu hố đào là 20m, chuyển vị ngang lớn nhất khoảng 10cm.

  2. Giải pháp Jet Grouting giảm chuyển vị ngang hiệu quả: Mô phỏng với tỷ lệ gia cố đất nền bằng cọc Jet Grouting từ 5% đến 20% cho thấy chuyển vị ngang tường vây giảm từ 15% đến 40% so với trường hợp không gia cố. Phương pháp EMS và RAS đều cho kết quả tương đồng, trong đó EMS giúp giảm thời gian tính toán.

  3. Độ lún nền xung quanh hố đào giảm đáng kể: Sau khi xử lý đáy hố đào bằng Jet Grouting, độ lún nền giảm khoảng 20-30% so với nền đất chưa xử lý, góp phần bảo vệ các công trình lân cận khỏi ảnh hưởng tiêu cực.

  4. Tăng hệ số an toàn chống đẩy trồi đáy hố đào: Tính toán theo phương pháp Terzaghi-Peck cho thấy hệ số an toàn tăng từ khoảng 1.1 lên 1.5 sau khi gia cố bằng Jet Grouting, đảm bảo ổn định đáy hố đào trong quá trình thi công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của chuyển vị ngang lớn gần đáy hố đào là do lớp đất yếu tại vị trí này chịu tải trọng lớn và có tính chất cơ lý kém. Việc sử dụng Jet Grouting tạo ra các cọc soilcrete có cường độ và độ cứng cao hơn từ 10 đến 100 lần so với đất tự nhiên, giúp tăng sức kháng cắt và giảm biến dạng nền.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả giảm chuyển vị ngang và độ lún nền của luận văn tương đồng với các công trình tại Nhật Bản và Đài Loan, khẳng định tính hiệu quả của giải pháp Jet Grouting trong điều kiện địa chất phức tạp tại Việt Nam.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ so sánh chuyển vị ngang tường vây giữa các phương án gia cố, biểu đồ độ lún nền trước và sau xử lý, cũng như bảng tổng hợp hệ số an toàn chống đẩy đáy hố đào. Các biểu đồ này minh họa rõ ràng sự cải thiện về mặt kỹ thuật và an toàn công trình khi áp dụng giải pháp Jet Grouting.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng rộng rãi công nghệ Jet Grouting trong thi công hố đào sâu: Khuyến nghị các chủ đầu tư và nhà thầu sử dụng giải pháp Jet Grouting để gia cố nền đất yếu, giảm chuyển vị ngang và tăng độ ổn định công trình, đặc biệt tại các khu vực có địa chất phức tạp như TP. Hồ Chí Minh. Thời gian áp dụng ngay trong các dự án xây dựng tầng hầm mới.

  2. Xây dựng quy trình thiết kế và thi công chuẩn hóa: Đề xuất các cơ quan quản lý xây dựng ban hành tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình thi công Jet Grouting phù hợp với điều kiện Việt Nam, bao gồm các thông số vận hành thiết bị, tỷ lệ xi măng, áp lực phun và kiểm soát chất lượng sản phẩm soilcrete. Chủ thể thực hiện là Bộ Xây dựng và các viện nghiên cứu trong vòng 1-2 năm tới.

  3. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho kỹ sư và công nhân: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về công nghệ Jet Grouting, phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn và giám sát thi công nhằm đảm bảo chất lượng và hiệu quả công trình. Các trường đại học và trung tâm đào tạo kỹ thuật chịu trách nhiệm triển khai trong 1 năm.

  4. Mở rộng nghiên cứu và ứng dụng các mô hình mô phỏng khác: Khuyến khích nghiên cứu bổ sung các mô hình đất nền khác ngoài Mohr-Coulomb và Hardening Soil, cũng như các phương pháp gia cố khác như cọc xi măng đất bên ngoài tường vây, hệ neo tường để nâng cao hiệu quả xử lý nền. Các viện nghiên cứu và trường đại học thực hiện trong giai đoạn 3-5 năm.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế và thi công công trình ngầm: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp mô phỏng chi tiết giúp kỹ sư lựa chọn giải pháp gia cố nền phù hợp, dự báo chuyển vị và độ lún chính xác, từ đó tối ưu thiết kế và thi công.

  2. Chủ đầu tư và nhà thầu xây dựng: Thông tin về hiệu quả kinh tế và kỹ thuật của công nghệ Jet Grouting giúp chủ đầu tư đánh giá và quyết định áp dụng giải pháp gia cố nền đất yếu, giảm rủi ro và chi phí phát sinh trong thi công.

  3. Cơ quan quản lý xây dựng và quy chuẩn kỹ thuật: Luận văn cung cấp dữ liệu thực nghiệm và mô phỏng để xây dựng tiêu chuẩn, quy trình thi công và kiểm soát chất lượng công nghệ Jet Grouting phù hợp với điều kiện Việt Nam.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành địa kỹ thuật xây dựng: Tài liệu tham khảo quý giá về lý thuyết, phương pháp mô phỏng phần tử hữu hạn, cũng như ứng dụng thực tiễn công nghệ Jet Grouting trong xử lý nền đất yếu, phục vụ cho nghiên cứu và học tập chuyên sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Jet Grouting là gì và ưu điểm nổi bật của công nghệ này?
    Jet Grouting là công nghệ phun vữa áp lực cao kết hợp với xói tơi đất để tạo cọc đất-xi măng (soilcrete) có cường độ và độ cứng cao hơn từ 10 đến 100 lần so với đất tự nhiên. Ưu điểm gồm khả năng thi công trong không gian hạn chế, phù hợp với nhiều loại đất, giảm chuyển vị ngang và độ lún nền hiệu quả, ít gây ô nhiễm môi trường.

  2. Phương pháp mô phỏng nào được sử dụng trong nghiên cứu và vì sao?
    Nghiên cứu sử dụng mô hình phần tử hữu hạn với hai mô hình đất Mohr-Coulomb và Hardening Soil, cùng hai phương pháp mô phỏng vật liệu RAS và EMS. Lý do là để mô phỏng chính xác ứng xử đất nền và cọc Jet Grouting, đồng thời giảm khối lượng tính toán và thời gian mô phỏng.

  3. Giải pháp Jet Grouting ảnh hưởng thế nào đến chuyển vị ngang tường vây?
    Giải pháp Jet Grouting làm tăng cường đất nền bằng các cọc soilcrete, từ đó giảm chuyển vị ngang tường vây từ 15% đến 40% tùy theo tỷ lệ gia cố. Chuyển vị lớn nhất được đẩy xuống gần đáy hố đào và được kiểm soát hiệu quả nhờ gia cố.

  4. Có những yếu tố nào ảnh hưởng đến chất lượng cọc Jet Grouting?
    Các yếu tố chính gồm áp lực phun, lưu lượng vữa, tốc độ nâng/hạ cần khoan, tốc độ xoay cần, kích thước vòi phun, tỷ lệ nước và xi măng trong vữa, cũng như đặc tính địa chất của đất nền. Việc điều chỉnh các thông số này giúp tối ưu kích thước và cường độ cọc.

  5. Jet Grouting có thể áp dụng cho những loại đất nào?
    Jet Grouting phù hợp với hầu hết các loại đất yếu, đất rời, đất sét có tính dẻo thấp đến trung bình, trừ đất sỏi cuội hạt lớn. Công nghệ này có thể xử lý sâu đến độ sâu yêu cầu, tạo ra các cọc có đường kính từ 0.6m trở lên, thích hợp cho nhiều công trình hố đào sâu.

Kết luận

  • Chuyển vị ngang tường vây lớn nhất tập trung gần đáy hố đào, đạt khoảng 0.5% chiều sâu hố đào, gây nguy cơ mất ổn định công trình.
  • Giải pháp Jet Grouting hiệu quả trong việc giảm chuyển vị ngang từ 15% đến 40%, đồng thời giảm độ lún nền xung quanh hố đào khoảng 20-30%.
  • Mô hình phần tử hữu hạn với mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil cùng phương pháp mô phỏng RAS và EMS cho kết quả mô phỏng chính xác, phù hợp với điều kiện thực tế.
  • Hệ số an toàn chống đẩy trồi đáy hố đào tăng từ 1.1 lên 1.5 sau khi gia cố bằng Jet Grouting, đảm bảo ổn định thi công.
  • Khuyến nghị áp dụng rộng rãi công nghệ Jet Grouting trong thi công hố đào sâu tại Việt Nam, đồng thời xây dựng tiêu chuẩn kỹ thuật và đào tạo chuyên môn để nâng cao hiệu quả và chất lượng công trình.

Next steps: Triển khai áp dụng giải pháp Jet Grouting trong các dự án xây dựng tầng hầm mới, đồng thời nghiên cứu mở rộng các mô hình mô phỏng và phương pháp gia cố khác. Các cơ quan quản lý và trường đại học cần phối hợp xây dựng tiêu chuẩn và chương trình đào tạo chuyên sâu.

Call to action: Các kỹ sư, nhà thầu và chủ đầu tư nên cân nhắc tích hợp công nghệ Jet Grouting vào quy trình thiết kế và thi công để nâng cao độ ổn định và an toàn công trình, đồng thời giảm thiểu rủi ro và chi phí phát sinh.