Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị hiện đại, nhu cầu sử dụng không gian ngầm như tầng hầm kỹ thuật, bãi đậu xe ngầm và hệ thống giao thông ngầm ngày càng gia tăng. Việc thi công hố đào sâu tại các khu vực đô thị đông đúc, đặc biệt là tại TP. Hồ Chí Minh, đặt ra thách thức lớn về ổn định kết cấu và an toàn cho các công trình lân cận. Theo ước tính, chuyển vị ngang của tường vây trong quá trình thi công hố đào sâu có thể vượt quá giới hạn cho phép, gây nguy hiểm nghiêm trọng. Luận văn tập trung phân tích ổn định hệ tường vây kết hợp cọc barrette trong quá trình thi công hố đào bằng mô hình Plaxis 3D, với trường hợp nghiên cứu thực tế tại công trình Pullman Saigon Center, Quận 1, TP. Hồ Chí Minh.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá sự làm việc đồng thời của hệ tường vây kết hợp cọc barrette trong quá trình thi công đào hầm, sử dụng mô hình Mohr-Coulomb trong phần mềm Plaxis 3D Foundation. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào phân tích chuyển vị ngang của hệ tường vây kết hợp barrette, không đi sâu vào phân tích tải trọng đứng của công trình. Thời gian nghiên cứu từ tháng 7 đến tháng 12 năm 2014, với dữ liệu thực tế từ quá trình thi công và quan trắc tại công trình.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học và thực tiễn quan trọng, góp phần nâng cao độ chính xác trong thiết kế biện pháp thi công tầng hầm, đảm bảo an toàn kết cấu và giảm thiểu rủi ro cho các công trình xung quanh. Kết quả phân tích cũng giúp tối ưu hóa chi phí và thời gian thi công trong điều kiện mặt bằng chật hẹp, đồng thời cung cấp cơ sở khoa học cho các công trình tương tự trong tương lai.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên các lý thuyết cơ bản trong địa kỹ thuật và mô hình vật liệu đất nền, cụ thể:

  • Mô hình Mohr-Coulomb: Mô hình đàn hồi dẻo lý tưởng, mô tả quan hệ ứng suất - biến dạng của đất nền với các thông số chính gồm mô-đun đàn hồi (E), hệ số Poisson (v), lực dính (c') và góc ma sát trong (φ'). Mô hình này được sử dụng để mô phỏng ứng xử của đất nền trong quá trình thi công hố đào sâu.

  • Phân tích không thoát nước và thoát nước: Xem xét ảnh hưởng của áp lực nước lỗ rỗng trong đất nền, phân tích không thoát nước phù hợp với đất có hệ số thấm thấp hoặc giai đoạn thi công tức thời, trong khi phân tích thoát nước áp dụng cho đất có hệ số thấm cao hoặc giai đoạn lâu dài.

  • Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM): Sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation để mô phỏng ứng xử kết cấu tường vây kết hợp barrette trong không gian ba chiều, cho phép phân tích chính xác hơn so với mô hình 2D truyền thống.

Các khái niệm chính bao gồm: chuyển vị ngang tường vây, mô hình vật liệu đất nền, áp lực nước lỗ rỗng, mô hình kết cấu tường vây - barrette, và phân tích ổn định hố đào sâu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu quan trắc thực tế trong quá trình thi công hố đào tại công trình Pullman Saigon Center, kết hợp với thông số địa chất từ hồ sơ khảo sát địa chất khu vực Quận 1, TP. Hồ Chí Minh. Dữ liệu thí nghiệm vật liệu đất nền và kết cấu tường vây cũng được thu thập để xác định các thông số đầu vào cho mô hình.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation phiên bản 1.6, mô phỏng toàn bộ quá trình thi công hố đào với mô hình Mohr-Coulomb cho đất nền và mô hình kết cấu tường vây kết hợp barrette. Song song đó, mô hình 2D cũng được xây dựng để so sánh kết quả với mô hình 3D và số liệu quan trắc thực tế.

Cỡ mẫu mô hình bao gồm toàn bộ hệ tường vây dài 35m, chiều sâu hố đào khoảng 13m, với các lớp đất nền được phân chia theo hồ sơ địa chất thành 8 lớp khác nhau. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng toàn bộ công trình thực tế nhằm đảm bảo tính đại diện và độ chính xác.

Timeline nghiên cứu gồm 4 bước chính: (1) tổng hợp cơ sở lý thuyết và xác định thông số mô hình, (2) mô phỏng 3D toàn bộ hệ tường vây kết hợp barrette, (3) mô phỏng 2D hệ tường vây đơn thuần, (4) so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc để đánh giá hiệu quả và độ tin cậy của mô hình.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả ổn định của hệ tường vây kết hợp barrette: Kết quả mô phỏng Plaxis 3D cho thấy hệ tường vây kết hợp cọc barrette làm giảm chuyển vị ngang tại chân tường trong quá trình thi công hố đào sâu. Cụ thể, chuyển vị ngang giảm khoảng 30-40% so với mô hình 2D chỉ có tường vây dày 800mm không có barrette xen kẽ.

  2. So sánh mô hình 2D và 3D: Mô hình 2D cho kết quả chuyển vị ngang lớn hơn đáng kể, vượt quá 20% so với số liệu quan trắc thực tế và mô hình 3D. Điều này cho thấy mô hình 3D có độ chính xác cao hơn trong việc mô phỏng ứng xử của hệ tường vây phức tạp với hình học không gian.

  3. Phân bố chuyển vị theo chiều sâu: Chuyển vị ngang lớn nhất tập trung ở vị trí gần chân tường, đặc biệt tại các lớp đất yếu dưới đáy hố đào. Mô hình 3D thể hiện rõ sự phân bố chuyển vị theo cả hai phương ngang và đứng, phù hợp với quan sát thực tế.

  4. Ảnh hưởng của đặc tính đất nền: Thông số mô-đun đàn hồi E và sức chống cắt c' của đất nền có ảnh hưởng lớn đến kết quả chuyển vị. Việc hiệu chỉnh các thông số này dựa trên kết quả quan trắc giúp mô hình phản ánh chính xác hơn thực tế.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm chuyển vị ngang khi sử dụng hệ tường vây kết hợp barrette là do barrette tăng cứng cho hệ tường, đồng thời chịu một phần áp lực đất, giảm tải cho tường vây chính. Kết quả này phù hợp với các nghiên cứu trước đây về hiệu quả của cọc barrette trong việc tăng ổn định hố đào sâu.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, mô hình 3D cho kết quả phù hợp hơn với số liệu quan trắc, đặc biệt trong các công trình có hình học phức tạp. Mô hình 2D thường phóng đại chuyển vị do không thể mô phỏng đầy đủ các điều kiện biên và tương tác không gian.

Việc mô phỏng áp lực nước lỗ rỗng và phân tích không thoát nước trong Plaxis giúp đánh giá chính xác ứng xử đất nền trong giai đoạn thi công tức thời, góp phần nâng cao độ tin cậy của kết quả. Biểu đồ so sánh chuyển vị ngang giữa mô hình 2D, 3D và số liệu quan trắc tại các vị trí IN01 và IN03 minh họa rõ sự khác biệt và ưu thế của mô hình 3D.

Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc thiết kế biện pháp thi công tầng hầm, giúp giảm thiểu rủi ro chuyển vị và đảm bảo an toàn cho công trình và khu vực lân cận.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng hệ tường vây kết hợp barrette trong thiết kế hố đào sâu: Khuyến nghị các chủ đầu tư và kỹ sư thiết kế sử dụng giải pháp kết hợp cọc barrette xen kẽ với tường vây để tăng cứng và giảm chuyển vị ngang, đặc biệt trong các công trình có điều kiện địa chất phức tạp và mặt bằng chật hẹp. Thời gian áp dụng ngay từ giai đoạn thiết kế.

  2. Sử dụng mô hình phân tích 3D trong lập biện pháp thi công: Đề xuất sử dụng phần mềm Plaxis 3D Foundation hoặc các công cụ tương đương để mô phỏng và đánh giá ổn định hố đào, giúp đưa ra các giải pháp thi công tối ưu và an toàn hơn so với mô hình 2D truyền thống. Chủ thể thực hiện là các đơn vị tư vấn thiết kế và thi công.

  3. Hiệu chỉnh thông số mô hình dựa trên số liệu quan trắc thực tế: Khuyến khích việc thu thập và phân tích số liệu quan trắc chuyển vị trong quá trình thi công để hiệu chỉnh các thông số mô hình đất nền, nâng cao độ chính xác của dự báo chuyển vị và ổn định kết cấu. Thời gian thực hiện liên tục trong suốt quá trình thi công.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho kỹ sư địa kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về mô hình phần tử hữu hạn, mô hình vật liệu đất nền và phần mềm Plaxis nhằm nâng cao năng lực phân tích và thiết kế biện pháp thi công hố đào sâu. Chủ thể thực hiện là các trường đại học, viện nghiên cứu và các tổ chức đào tạo chuyên ngành.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp phân tích hiện đại giúp kỹ sư thiết kế lựa chọn giải pháp tường vây phù hợp, đảm bảo ổn định và an toàn cho công trình hố đào sâu.

  2. Chủ đầu tư và nhà thầu thi công công trình ngầm: Thông tin về hiệu quả của hệ tường vây kết hợp barrette và mô hình phân tích 3D giúp chủ đầu tư và nhà thầu đánh giá, kiểm soát rủi ro trong quá trình thi công, từ đó tối ưu chi phí và tiến độ.

  3. Các nhà nghiên cứu và sinh viên chuyên ngành kỹ thuật xây dựng công trình ngầm: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình phần tử hữu hạn trong phân tích ổn định hố đào sâu, đồng thời cung cấp ví dụ thực tế và phương pháp luận chi tiết.

  4. Cơ quan quản lý và giám sát xây dựng: Nghiên cứu giúp các cơ quan quản lý hiểu rõ hơn về các yếu tố ảnh hưởng đến ổn định hố đào, từ đó xây dựng các tiêu chuẩn, quy định kỹ thuật phù hợp nhằm đảm bảo an toàn công trình và môi trường xung quanh.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao cần kết hợp cọc barrette với tường vây trong thi công hố đào sâu?
    Giải pháp kết hợp cọc barrette xen kẽ với tường vây giúp tăng cứng hệ tường, giảm chuyển vị ngang và chịu tải trọng đất hiệu quả hơn. Điều này vừa đảm bảo ổn định công trình vừa tối ưu mặt bằng kiến trúc, đặc biệt trong điều kiện mặt bằng chật hẹp.

  2. Mô hình Plaxis 3D có ưu điểm gì so với mô hình 2D?
    Plaxis 3D mô phỏng được hình học và điều kiện biên không gian ba chiều, cho kết quả chính xác hơn trong các công trình có hình dạng phức tạp. Mô hình 2D thường phóng đại chuyển vị do không thể mô phỏng đầy đủ tương tác không gian.

  3. Thông số nào của đất nền ảnh hưởng nhiều nhất đến chuyển vị tường vây?
    Mô-đun đàn hồi (E) và sức chống cắt (c', φ') là hai thông số quan trọng nhất ảnh hưởng đến biến dạng và ổn định của đất nền, từ đó ảnh hưởng trực tiếp đến chuyển vị ngang của tường vây.

  4. Làm thế nào để hiệu chỉnh mô hình phân tích cho phù hợp với thực tế?
    Hiệu chỉnh dựa trên số liệu quan trắc chuyển vị thực tế trong quá trình thi công, kết hợp với điều chỉnh các thông số mô hình đất nền như mô-đun đàn hồi và sức chống cắt để mô hình phản ánh chính xác hơn ứng xử thực tế.

  5. Giới hạn của nghiên cứu này là gì?
    Nghiên cứu tập trung vào phân tích chuyển vị ngang của hệ tường vây kết hợp barrette, chưa xem xét đầy đủ các yếu tố như tải trọng đứng công trình, ảnh hưởng thời gian thi công và biến động mực nước ngầm. Ngoài ra, nghiên cứu dựa trên một công trình thực tế tại TP. Hồ Chí Minh nên mức độ khái quát còn hạn chế.

Kết luận

  • Hệ tường vây kết hợp cọc barrette xen kẽ giúp tăng cứng và giảm chuyển vị ngang hiệu quả trong thi công hố đào sâu.
  • Mô hình Plaxis 3D cho kết quả phân tích chính xác và phù hợp với số liệu quan trắc thực tế hơn so với mô hình 2D.
  • Thông số mô-đun đàn hồi và sức chống cắt của đất nền là yếu tố quyết định lớn đến chuyển vị tường vây.
  • Việc hiệu chỉnh mô hình dựa trên số liệu quan trắc là cần thiết để nâng cao độ tin cậy của phân tích.
  • Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và phương pháp luận hữu ích cho thiết kế và thi công tầng hầm tại các công trình đô thị phức tạp.

Next steps: Áp dụng kết quả nghiên cứu vào thiết kế biện pháp thi công các công trình tương tự, đồng thời mở rộng nghiên cứu về ảnh hưởng tải trọng đứng và biến động mực nước ngầm.

Call to action: Các kỹ sư và nhà quản lý công trình nên tích hợp mô hình phân tích 3D và giải pháp kết hợp barrette trong quy trình thiết kế và thi công để đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế.