Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị hiện đại tại Việt Nam, nhu cầu khai thác và sử dụng không gian dưới mặt đất ngày càng gia tăng, đặc biệt tại các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh. Theo ước tính, các công trình xây dựng ngầm với diện tích mặt bằng lớn và địa hình, địa chất phức tạp đang trở thành xu hướng tất yếu nhằm tối ưu hóa không gian đô thị. Tuy nhiên, việc thi công các hố đào sâu đòi hỏi các biện pháp bảo vệ thành vách đào nhằm đảm bảo an toàn cho công trình và các công trình lân cận, đồng thời đáp ứng các yêu cầu kỹ thuật, kinh tế và môi trường.

Luận văn thạc sĩ này tập trung phân tích ổn định và biến dạng của hố đào sâu sử dụng hệ tường vây cừ Larssen kết hợp thanh chống, một giải pháp phổ biến trong thi công hố đào tại các công trình cao tầng. Mục tiêu nghiên cứu là tính toán nội lực, chuyển vị của tường vây Larssen theo từng giai đoạn thi công, dự đoán chuyển vị nền đất xung quanh và dưới hố đào, đánh giá ổn định của hệ cọc bê tông cốt thép dưới hố đào, đồng thời xác định phạm vi ảnh hưởng của hố đào đến các công trình lân cận. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào các công trình thực tế tại Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2006-2007.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở tính toán chính xác về ổn định và biến dạng hố đào sâu, từ đó áp dụng hiệu quả cho các công trình tương tự, góp phần nâng cao chất lượng thi công và đảm bảo an toàn công trình trong điều kiện địa chất phức tạp.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn sử dụng các lý thuyết và mô hình cơ bản trong tính toán ổn định và biến dạng hố đào sâu, bao gồm:

  • Lý thuyết Mohr-Rankine: Áp dụng để xác định áp lực ngang đất tác dụng lên tường vây, phân biệt giữa đất rời (c=0) và đất dính (c≠0), với các hệ số áp lực đất chủ động (Ka) và bị động (Kp) được tính toán dựa trên góc ma sát trong của đất.

  • Lý thuyết Coulomb: Phân tích lực dính và ma sát giữa tường vây và đất, đặc biệt trong điều kiện đất có khả năng thoát nước hoặc không thoát nước, giúp xác định áp lực đất động và bị động chính xác hơn trong các trường hợp phức tạp.

  • Lý thuyết cân bằng giới hạn điểm: Sử dụng để thiết lập hệ phương trình cân bằng ứng suất trong đất nền sau tường vây, dựa trên các phương trình cân bằng và điều kiện giới hạn của Mohr-Rankine, giúp mô phỏng trạng thái ứng suất và biến dạng của đất nền.

  • Mô hình nền Winkler và phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Mô hình nền Winkler được dùng để mô phỏng tương tác giữa tường vây và đất nền, trong khi phần mềm Plaxis 3D Tunnel ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn giúp tính toán nội lực, chuyển vị và ổn định của hệ tường vây Larssen kết hợp thanh chống trong quá trình thi công.

Các khái niệm chính bao gồm áp lực đất chủ động và bị động, chuyển vị ngang của tường vây, nội lực trong thanh chống, trạng thái cân bằng giới hạn của đất nền, và ảnh hưởng của điều kiện thoát nước đến áp lực đất.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ các công trình thực tế tại Thành phố Hồ Chí Minh như cao ốc thương mại - căn hộ Phú Thọ Thuận Việt, chung cư cao cấp Orchard River và cao ốc căn hộ cao cấp Thảo Điền River View. Các công trình này có kích thước hố đào lớn, địa chất phức tạp với các lớp đất sét mềm, bùn sét và cát, độ sâu đào từ 5,65m đến 6m.

Phương pháp phân tích sử dụng chủ yếu là phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Plaxis 3D Tunnel, cho phép mô phỏng chi tiết quá trình thi công, tính toán nội lực và chuyển vị của hệ tường vây Larssen và thanh chống theo từng giai đoạn. Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm các số liệu khảo sát địa chất, thông số vật lý cơ học của đất nền và kết quả quan trắc thực tế tại công trường.

Quá trình nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 2 đến tháng 5 năm 2006, với các bước chính gồm khảo sát địa chất, thiết lập mô hình tính toán, phân tích nội lực và biến dạng, so sánh kết quả tính toán với số liệu quan trắc thực tế, từ đó đưa ra kết luận và đề xuất giải pháp thi công phù hợp.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Nội lực và chuyển vị của tường vây Larssen thay đổi theo giai đoạn thi công: Kết quả tính toán cho thấy nội lực trong tường vây và thanh chống tăng dần theo chiều sâu và thời gian thi công, với chuyển vị ngang lớn nhất tại phần trên của tường vây. Ví dụ, tại công trình Orchard River, chuyển vị ngang tối đa đo được là khoảng 12 mm, tương ứng với kết quả mô phỏng.

  2. Chuyển vị nền đất xung quanh và dưới hố đào có xu hướng tăng theo độ sâu đào: Dữ liệu quan trắc tại công trình Phú Thọ Thuận Việt cho thấy chuyển vị nền đất xung quanh hố đào đạt khoảng 8 mm, phù hợp với kết quả dự báo từ mô hình phần tử hữu hạn.

  3. Ổn định của hệ cọc bê tông cốt thép dưới hố đào được đảm bảo trong suốt quá trình thi công: Phân tích ứng suất và biến dạng cho thấy cọc BTCT chịu được tải trọng và không có dấu hiệu phá hoại, với ứng suất tối đa trong cọc không vượt quá 70% giới hạn chịu lực thiết kế.

  4. Phạm vi ảnh hưởng của hố đào đến các công trình lân cận được giới hạn trong khoảng bán kính 15-20m: So sánh kết quả tính toán với quan trắc thực tế cho thấy ảnh hưởng biến dạng và ứng suất đất lan truyền không vượt quá phạm vi này, đảm bảo an toàn cho các công trình xung quanh.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân của các phát hiện trên xuất phát từ việc áp dụng chính xác các lý thuyết cơ học đất nền và mô hình phần tử hữu hạn, kết hợp với dữ liệu khảo sát địa chất thực tế. Việc sử dụng hệ tường vây Larssen kết hợp thanh chống giúp phân bố nội lực hiệu quả, giảm thiểu chuyển vị ngang và đảm bảo ổn định cho hố đào sâu.

So sánh với các nghiên cứu trong nước và quốc tế cho thấy kết quả tính toán và quan trắc tương đồng, khẳng định tính khả thi và độ tin cậy của phương pháp nghiên cứu. Ví dụ, các nghiên cứu của Clough và O’Rourke cũng chỉ ra mối quan hệ chặt chẽ giữa chuyển vị ngang lớn nhất và ứng suất đất nền, tương tự như kết quả luận văn.

Ý nghĩa của nghiên cứu nằm ở việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công hố đào sâu tại các đô thị lớn, giúp giảm thiểu rủi ro công trình và nâng cao hiệu quả kinh tế. Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị theo chiều sâu và bảng so sánh nội lực giữa các giai đoạn thi công để minh họa rõ ràng hơn.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn trong thiết kế và giám sát thi công hố đào sâu: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu là nâng cao độ chính xác dự báo biến dạng và nội lực, thời gian thực hiện trong giai đoạn thiết kế và thi công, chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn và nhà thầu xây dựng.

  2. Sử dụng hệ tường vây Larssen kết hợp thanh chống cho các công trình có địa chất phức tạp và độ sâu đào lớn: Động từ "ứng dụng", nhằm đảm bảo ổn định công trình và giảm thiểu ảnh hưởng đến công trình lân cận, thực hiện trong toàn bộ quá trình thi công, chủ thể là chủ đầu tư và nhà thầu.

  3. Tăng cường quan trắc và kiểm soát chuyển vị nền đất và tường vây trong suốt quá trình thi công: Động từ "triển khai", mục tiêu giảm thiểu rủi ro, thời gian liên tục trong thi công, chủ thể là đơn vị giám sát và tư vấn kỹ thuật.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho kỹ sư thiết kế và thi công về các lý thuyết cơ học đất và phần mềm tính toán hiện đại: Động từ "tổ chức", nhằm nâng cao chất lượng công tác thiết kế và thi công, thực hiện định kỳ hàng năm, chủ thể là các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Giúp hiểu rõ cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán ổn định hố đào sâu, áp dụng vào thiết kế các công trình có tường vây Larssen.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm: Cung cấp kiến thức về biến dạng và nội lực trong quá trình thi công, từ đó điều chỉnh biện pháp thi công phù hợp, đảm bảo an toàn.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án xây dựng: Hỗ trợ trong việc đánh giá rủi ro, kiểm soát chất lượng thi công và đảm bảo an toàn công trình trong quá trình đào đất.

  4. Nghiên cứu sinh và sinh viên ngành xây dựng, cơ học đất: Là tài liệu tham khảo học thuật sâu sắc về lý thuyết và ứng dụng phần tử hữu hạn trong phân tích ổn định hố đào.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao chọn hệ tường vây Larssen kết hợp thanh chống cho hố đào sâu?
    Hệ tường vây Larssen có ưu điểm dễ thi công, có thể tái sử dụng và kết hợp với thanh chống giúp tăng cường ổn định, phù hợp với các công trình có địa chất phức tạp và yêu cầu an toàn cao.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong phân tích hố đào?
    Phương pháp này cho phép mô phỏng chi tiết quá trình thi công, tính toán chính xác nội lực và biến dạng theo từng giai đoạn, giúp dự báo và kiểm soát rủi ro hiệu quả.

  3. Làm thế nào để xác định phạm vi ảnh hưởng của hố đào đến công trình lân cận?
    Thông qua phân tích biến dạng nền đất và ứng suất lan truyền, kết hợp với quan trắc thực tế, phạm vi ảnh hưởng thường được giới hạn trong bán kính khoảng 15-20m từ hố đào.

  4. Các yếu tố địa chất nào ảnh hưởng lớn đến ổn định hố đào?
    Đặc tính đất nền như độ dính, góc ma sát trong, khả năng thoát nước và phân tầng địa chất phức tạp là những yếu tố quyết định đến áp lực đất và biến dạng hố đào.

  5. Làm sao để kiểm soát chuyển vị tường vây trong quá trình thi công?
    Triển khai hệ thống quan trắc chuyển vị liên tục, kết hợp với mô hình tính toán để điều chỉnh biện pháp thi công kịp thời, đảm bảo chuyển vị không vượt quá giới hạn cho phép.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích thành công ổn định và biến dạng của hố đào sâu sử dụng hệ tường vây Larssen kết hợp thanh chống dựa trên lý thuyết cơ học đất và phương pháp phần tử hữu hạn.
  • Kết quả tính toán nội lực, chuyển vị và phạm vi ảnh hưởng phù hợp với số liệu quan trắc thực tế tại các công trình lớn ở Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế và thi công hố đào sâu, góp phần nâng cao an toàn và hiệu quả kinh tế cho các dự án xây dựng ngầm.
  • Đề xuất các giải pháp kỹ thuật và quản lý nhằm tối ưu hóa quá trình thi công và kiểm soát biến dạng hố đào.
  • Các bước tiếp theo bao gồm mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng biến đổi địa chất nền và ứng dụng mô hình tính toán cho các loại tường vây khác, đồng thời đào tạo chuyên môn cho đội ngũ kỹ sư.

Hành động ngay: Các đơn vị thiết kế, thi công và quản lý dự án nên áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng và an toàn công trình hố đào sâu trong thực tế.