Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng, nhu cầu xây dựng các công trình ngầm tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh ngày càng gia tăng. Việc thi công tầng hầm sâu trong điều kiện mặt bằng chật hẹp và sự hiện diện của các công trình lân cận đặt ra nhiều thách thức về ổn định kết cấu và biến dạng đất nền. Theo ước tính, các công trình có tầng hầm sâu từ 10 đến 20 mét đang trở nên phổ biến, đòi hỏi các giải pháp thi công và thiết kế kết cấu phù hợp để đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.

Luận văn tập trung phân tích nội lực sàn tầng hầm trong quá trình thi công bằng phương pháp Top-Down, áp dụng cho dự án Rivergate Residence tại Quận 4, TP. Hồ Chí Minh. Công trình có quy mô 4 tầng hầm với chiều sâu đào lớn nhất đến -14.7m, sử dụng tường vây dày 800mm và chiều dài 28.5m. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá nội lực phát sinh trong sàn tầng hầm qua các giai đoạn thi công, từ đó đề xuất các biện pháp gia cường phù hợp nhằm đảm bảo an toàn kết cấu và hạn chế biến dạng tường vây.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm mô phỏng quá trình thi công bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation, so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế tại công trình, đồng thời phân tích ảnh hưởng của chuyển vị tường vây đến nội lực sàn. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và thi công tầng hầm bằng phương pháp Top-Down, góp phần nâng cao độ tin cậy và hiệu quả thi công các công trình ngầm 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 ứng xử đất nền và kết cấu:

  • Mô hình Hardening Soil (HS): Đây là mô hình đất nâng cao, mô phỏng chính xác biến dạng phi tuyến của đất mềm và đất cứng, bao gồm tăng bền chống cắt và tăng bền chống nén. Mô hình xét đến sự phụ thuộc của độ cứng đất theo ứng suất, biến dạng dẻo do cắt và nén, cũng như sự gia tải và dở tải đàn hồi. Các thông số cơ bản gồm mô đun biến dạng tham chiếu, góc ma sát, độ dính hữu hiệu và góc giãn nở.

  • Mô hình Mohr-Coulomb (MC): Mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng, thường dùng cho tính toán sơ bộ. Mô hình này không xét đến tăng bền thể tích và sự thay đổi độ cứng theo ứng suất, do đó ít chính xác hơn mô hình HS trong phân tích đất nền phức tạp.

Ba khái niệm chính được sử dụng trong nghiên cứu gồm: chuyển vị tường vây, nội lực sàn tầng hầm và hiệu ứng vòm bê tông trong kết cấu tường vây. Hiệu ứng vòm thể hiện ứng xử không gian của tường vây và đất nền, làm giảm chuyển vị và biến dạng tại các góc và cạnh hố đào.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu quan trắc chuyển vị tường vây qua 8 vị trí đặt ống Inclinometer tại công trình Rivergate Residence, cùng các thông số địa chất và kết cấu thu thập thực tế. Phương pháp nghiên cứu sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation để mô phỏng quá trình thi công tầng hầm theo phương pháp Top-Down, với mô hình phần tử hữu hạn 3D.

Cỡ mẫu mô phỏng bao gồm toàn bộ khối đất nền và kết cấu tường vây, sàn tầng hầm với lưới phần tử được thiết kế mịn tại vùng chuyển vị lớn và vùng tiếp giáp giữa đất và kết cấu. Phương pháp chọn mẫu dữ liệu dựa trên số liệu quan trắc thực tế và thông số kỹ thuật công trình.

Phân tích được thực hiện theo timeline thi công từ ngày 10/07/2017 đến 03/12/2017, bao gồm các giai đoạn thi công tường vây, đào đất, lắp đặt sàn tầng hầm và gia cố hệ thống chống đỡ. Kết quả mô phỏng được so sánh với số liệu quan trắc để đánh giá độ chính xác và hiệu quả của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Xuất hiện ứng suất kéo trong sàn tầng hầm: Qua mô phỏng và quan trắc, tại một số vị trí trên sàn tầng hầm xuất hiện ứng suất kéo đáng kể trong quá trình thi công, đặc biệt sau khi thi công sàn tầng 1 và tầng hầm 1. Ứng suất kéo này có thể vượt quá khả năng chịu lực của thép gia cường nếu không được kiểm soát, gây nguy cơ phá hoại cục bộ.

  2. Chuyển vị tường vây lớn hơn khi thi công bằng phương pháp Top-Down: Kết quả phân tích cho thấy chuyển vị ngang tối đa của tường vây khi thi công bằng Top-Down lớn hơn khoảng 1.1 lần so với phương pháp Bottom-Up, phù hợp với các nghiên cứu quốc tế. Chuyển vị này có xu hướng dịch chuyển ra phía ngoài, ảnh hưởng trực tiếp đến nội lực phát sinh trong sàn.

  3. Mô hình Hardening Soil cho kết quả chính xác hơn: So sánh giữa mô hình Hardening Soil và Mohr-Coulomb cho thấy mô hình HS mô phỏng biến dạng và chuyển vị tường vây gần với thực tế hơn, với sai số nhỏ hơn 10%, trong khi mô hình MC có thể sai lệch từ 20% đến 60%.

  4. Hiệu ứng vòm bê tông làm giảm chuyển vị tường vây: Ứng xử không gian của tường vây và đất nền tại các góc và cạnh hố đào thể hiện hiệu ứng vòm, giúp giảm chuyển vị và biến dạng so với phân tích 2D truyền thống. Điều này làm tăng độ ổn định của kết cấu trong quá trình thi công.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân xuất hiện ứng suất kéo trong sàn tầng hầm là do chuyển vị tường vây gây ra ứng suất ngang lớn, kết hợp với tải trọng thi công và biến dạng đất nền. Việc sử dụng hệ thống chống đỡ bằng sàn bê tông cốt thép có độ cứng cao giúp giảm chuyển vị tường vây nhưng cũng tạo ra ứng suất kéo tại các vị trí lỗ mở và mối nối.

So sánh với các nghiên cứu tại công trình Taipei Enterprise National Enterprise và các dự án trong nước cho thấy kết quả tương đồng về ảnh hưởng của chuyển vị tường vây và nội lực sàn. Tuy nhiên, nghiên cứu này đi sâu hơn vào phân tích nội lực sàn qua từng giai đoạn thi công, cung cấp cơ sở để thiết kế gia cường chính xác hơn.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị tường vây theo thời gian thi công, bảng so sánh ứng suất nội lực sàn tại các vị trí khác nhau và biểu đồ so sánh kết quả mô phỏng với quan trắc thực tế, giúp minh họa rõ ràng sự biến đổi nội lực và chuyển vị trong quá trình thi công.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Gia cường thép tại các vị trí ứng suất kéo cao: Cần thiết kế và bố trí thép gia cường bổ sung tại các vị trí trên sàn tầng hầm có ứng suất kéo vượt ngưỡng, nhằm đảm bảo khả năng chịu lực và tránh phá hoại cục bộ. Thời gian thực hiện nên đồng bộ với tiến độ thi công từng tầng hầm.

  2. Tăng cường hệ thống chống đỡ tạm thời: Sử dụng hệ chồng thép H400 hoặc tương đương để giảm chuyển vị tường vây trong các giai đoạn đào sâu, đặc biệt tại các khu vực có địa chất yếu hoặc biến dạng lớn. Chủ thể thực hiện là nhà thầu thi công kết cấu.

  3. Áp dụng mô hình phân tích 3D trong thiết kế: Khuyến khích sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn 3D như Plaxis 3D Foundation để mô phỏng chính xác ứng xử kết cấu và đất nền, từ đó đưa ra các biện pháp thi công và thiết kế phù hợp. Thời gian áp dụng nên bắt đầu từ giai đoạn thiết kế kỹ thuật.

  4. Theo dõi và quan trắc chuyển vị liên tục: Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị tường vây và nội lực sàn trong suốt quá trình thi công để kịp thời phát hiện và xử lý các hiện tượng bất thường. Chủ thể thực hiện là đơn vị tư vấn giám sát và nhà thầu thi công.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp phân tích nội lực sàn tầng hầm, giúp kỹ sư thiết kế lựa chọn giải pháp kết cấu và gia cường phù hợp cho các công trình ngầm.

  2. Nhà thầu thi công: Thông tin về ảnh hưởng của chuyển vị tường vây và nội lực sàn hỗ trợ nhà thầu trong việc lập kế hoạch thi công, lựa chọn biện pháp thi công và kiểm soát chất lượng.

  3. Chuyên gia giám sát công trình: Dữ liệu quan trắc và phân tích giúp chuyên gia giám sát đánh giá an toàn thi công, phát hiện sớm các nguy cơ và đề xuất biện pháp xử lý kịp thời.

  4. Nghiên cứu sinh và học viên ngành xây dựng: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn trong phân tích kết cấu ngầm, cũng như các vấn đề thực tiễn trong thi công tầng hầm sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp Top-Down có ưu điểm gì trong thi công tầng hầm?
    Phương pháp Top-Down cho phép thi công đồng thời tầng hầm và kết cấu trên mặt đất, rút ngắn thời gian thi công và giảm biến dạng đất nền nhờ sử dụng sàn tầng hầm làm hệ chống đỡ tạm thời. Ví dụ, dự án Rivergate Residence đã áp dụng thành công phương pháp này với độ sâu hố đào đến -14.7m.

  2. Tại sao cần phân tích nội lực sàn tầng hầm trong quá trình thi công?
    Nội lực sàn tầng hầm chịu ảnh hưởng trực tiếp từ chuyển vị tường vây và tải trọng thi công, có thể phát sinh ứng suất kéo hoặc nén vượt giới hạn thiết kế, gây nguy cơ phá hoại kết cấu. Việc phân tích giúp xác định vị trí cần gia cường thép để đảm bảo an toàn.

  3. Mô hình Hardening Soil khác gì so với Mohr-Coulomb?
    Mô hình Hardening Soil mô phỏng chính xác hơn biến dạng phi tuyến và tăng bền của đất nền, xét đến sự thay đổi độ cứng theo ứng suất và biến dạng dẻo, trong khi Mohr-Coulomb chỉ là mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng, phù hợp cho tính toán sơ bộ.

  4. Làm thế nào để giảm chuyển vị tường vây trong thi công hố đào sâu?
    Có thể giảm chuyển vị bằng cách tăng độ cứng hệ chống đỡ (thanh chống, sàn tầng hầm), thi công theo từng vùng đào, sử dụng biện pháp kích tải và gia cố đất nền. Ví dụ, hệ chồng H400 được sử dụng tại dự án nghiên cứu để giảm chuyển vị cục bộ.

  5. Tại sao cần theo dõi chuyển vị tường vây trong quá trình thi công?
    Theo dõi chuyển vị giúp phát hiện sớm các biến dạng bất thường, đánh giá hiệu quả biện pháp thi công và đảm bảo an toàn kết cấu. Số liệu quan trắc cũng hỗ trợ hiệu chỉnh mô hình phân tích và điều chỉnh thiết kế kịp thời.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích chi tiết nội lực sàn tầng hầm trong quá trình thi công bằng phương pháp Top-Down tại dự án Rivergate Residence, TP. Hồ Chí Minh.
  • Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 3D Foundation phù hợp với số liệu quan trắc thực tế, đặc biệt khi sử dụng mô hình Hardening Soil.
  • Phát hiện ứng suất kéo đáng kể trong sàn tầng hầm tại một số vị trí, cần gia cường thép để đảm bảo an toàn kết cấu.
  • Chuyển vị tường vây khi thi công bằng Top-Down lớn hơn khoảng 1.1 lần so với phương pháp Bottom-Up, ảnh hưởng trực tiếp đến nội lực sàn.
  • Đề xuất các giải pháp gia cường, tăng cứng hệ chống đỡ và theo dõi quan trắc liên tục nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn thi công tầng hầm.

Tiếp theo, nghiên cứu sẽ mở rộng áp dụng phương pháp phân tích này cho các công trình có địa chất phức tạp hơn và quy mô lớn hơn, đồng thời phát triển các công cụ hỗ trợ thiết kế gia cường tự động. Độc giả và chuyên gia trong lĩnh vực xây dựng được khuyến khích áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng và an toàn công trình ngầm.