Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại các thành phố duyên hải miền Trung đang thúc đẩy mạnh mẽ nhu cầu khai thác không gian ngầm với các công trình quy mô lớn có từ 2 đến 3 tầng hầm. Tại thành phố Đà Nẵng, sự biến động của thủy triều kết hợp với dòng nước mặt và nước ngầm từ các dãy núi xung quanh tạo nên sự dao động mực nước ngầm rõ rệt từ mức âm 1,0m trong mùa mưa xuống đến âm 5,0m trong mùa khô. Điều kiện thủy văn phức tạp này thúc đẩy quá trình ngập mặn xen kẽ với quá trình rửa mặn tự nhiên diễn ra liên tục trong các tầng trầm tích ven biển. Vấn đề nghiên cứu trọng tâm là sự suy giảm đột ngột các chỉ tiêu cơ lý của đất nền sau khi bị lọc rửa muối, đe dọa trực tiếp đến tính ổn định của kết cấu tường vây và hố đào sâu trong quá trình thi công.

Mục tiêu cụ thể của nghiên cứu là khảo sát thực nghiệm mức độ rửa mặn của các lớp đất cát pha và sét pha ven biển, xác định định lượng độ suy giảm sức chống cắt cùng mô-đun biến dạng, từ đó phân tích và mô phỏng ứng xử chuyển vị của hố đào sâu cho công trình thực tế khu phức hợp khách sạn Bạch Đằng tại Đà Nẵng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào hố đào sâu trên 10,0m được chắn giữ bằng tường Barrette dày 800mm kết hợp hệ giằng thép hình chịu lực. Nghiên cứu mô phỏng chu kỳ rửa mặn kéo dài 16 ngày với độ mặn giảm từ 5,8 g/l xuống 0,5 g/l. Kết quả nghiên cứu có ý nghĩa thực tiễn to lớn trong việc xác lập biên độ an toàn, kiểm soát chuyển vị ngang đỉnh tường dưới ngưỡng 2,0 cm và nâng cao hệ số ổn định chống trồi đáy hố đào, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho bản thân công trình cũng như các công trình lân cận.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên sự kết hợp chặt chẽ giữa cơ học đất cổ điển và các mô hình đàn dẻo phi tuyến hiện đại. Áp lực đất chủ động và bị động tác dụng lên tường chắn được xác định thông qua lý thuyết cân bằng giới hạn dẻo Mohr - Rankine và Coulomb. Đối với việc phân tích nội lực hệ thanh chống và mô-men uốn thân tường qua từng giai đoạn đào đất, phương pháp giải tích và gần đúng Sachipana được áp dụng để xác định trạng thái ứng suất tĩnh và cân bằng dẻo.

Điều kiện ổn định đáy hố đào chống hiện tượng trồi đáy, bùng đáy và chảy thấm được đánh giá toàn diện qua lý thuyết Terzaghi - Peck, phương pháp Terzaghi cải tiến có xét đến độ sâu chôn của tường vây, cùng công thức tổng quát Caquot - Kerisel xét đồng thời lực dính và góc ma sát trong của đất. Mô hình cấu trúc đất Hardening Soil được lựa chọn để mô phỏng số trên phần mềm Plaxis 2D. Nghiên cứu vận dụng các khái niệm chuyên ngành cốt lõi bao gồm: nồng độ muối hòa tan, quá trình rửa mặn tự nhiên, sức chống cắt của đất, mô-đun biến dạng nén cố kết một trục, và độ nhạy của đất dính ven biển.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu thực nghiệm được thu thập từ 12 mẫu đất nguyên dạng và xáo động lấy trực tiếp tại hiện trường công trình phức hợp khách sạn Bạch Đằng ở độ sâu từ 1,0m đến 3,0m trong mùa mưa. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm thu thập chính xác các tầng sét pha và cát pha nhạy cảm với sự thay đổi thành phần ion muối khoáng. Thiết bị thí nghiệm rửa mặn trong phòng được vận hành liên tục suốt 16 ngày với hệ thống cấp nước đối lưu để mô phỏng dòng chảy ngầm tự nhiên. Sau đó, các mẫu trước và sau khi rửa mặn được đưa vào thí nghiệm cắt trực tiếp và nén cố kết đa cấp áp lực từ 25 kPa, 50 kPa, 100 kPa, 200 kPa đến 400 kPa.

Phương pháp phân tích phần tử hữu hạn thông qua mô hình Hardening Soil trong Plaxis 2D được lựa chọn vì khắc phục được hạn chế của mô hình đàn dẻo lý tưởng Mohr - Coulomb. Mô hình Hardening Soil phản ánh chính xác tính phi tuyến của độ cứng nền đất phụ thuộc vào mức độ ứng suất, đồng thời phân tách rõ giữa độ cứng nén nguyên thủy và độ cứng dỡ tải - gia tải lại trong quá trình đào đất từng đợt. Toàn bộ quá trình thí nghiệm, mô phỏng số và phân tích đối chiếu dữ liệu được thực hiện trong thời gian 6 tháng.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, quá trình rửa mặn làm biến đổi sâu sắc nồng độ muối và làm suy giảm nghiêm trọng các chỉ tiêu độ bền của đất nền. Sau 16 ngày rửa mặn mô phỏng, độ mặn của lớp đất sét pha giảm mạnh từ 5,8 g/l xuống còn 0,5 g/l (tương đương mức giảm 91,37%). Sự sụt giảm nồng độ muối hòa tan này khiến lực dính hiệu quả của đất giảm 19,69% và góc ma sát trong giảm 11,98% so với trạng thái tự nhiên ban đầu.

Thứ hai, đặc tính biến dạng và độ nén lún của đất gia tăng rõ rệt khi các ion muối bị rửa trôi khỏi cấu trúc rỗng. Mô-đun biến dạng cố kết của đất sau khi lọc muối giảm 27,8%, đồng thời hệ số nén lún tăng từ 7,0% lên 10,0%, chứng minh đất nền trở nên nhạy cảm hơn và dễ bị nén ép dưới tác dụng của tải trọng thi công.

Thứ ba, kết quả mô phỏng số trên Plaxis 2D cho thấy chuyển vị ngang lớn nhất tại đỉnh tường Barrette trong điều kiện đất bị rửa mặn đạt 1,485 cm, cao hơn 34,93% so với trường hợp đất tự nhiên còn nhiễm mặn. Kết quả mô phỏng phần tử hữu hạn này cao hơn 19,2% so với số liệu quan trắc thực tế bằng máy đo nghiêng tại công trường (đo được 1,245 cm), chứng minh tính an toàn và độ tin cậy của mô hình số.

Thứ tư, hệ số an toàn chống trồi đáy hố đào theo phương pháp Caquot - Kerisel giảm từ 2,15 ở trạng thái đất tự nhiên xuống còn 1,62 ở trạng thái đất rửa mặn khi đào đến cao độ đáy âm 10,0m, mặc dù vẫn nằm trong giới hạn cho phép nhưng biên độ dự phòng an toàn đã suy giảm 24,65%.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi của sự suy giảm chỉ tiêu cơ lý khi rửa mặn bắt nguồn từ cơ chế hóa lý bề mặt hạt sét. Khi nồng độ ion hòa tan như natri và clo bị rửa trôi, lớp điện kép khuếch tán xung quanh các khoáng vật sét dày lên, làm suy yếu lực hút tĩnh điện giữa các hạt, dẫn đến hiện tượng phá hủy cấu trúc liên kết tự nhiên. Hiện tượng này hoàn toàn tương đồng với các nghiên cứu của Laurits Bjerrum tại Na Uy khi nồng độ muối giảm xuống dưới 15 g/l khiến độ nhạy đất tăng vọt, cũng như nghiên cứu của Omar Saeed Baghabra Al-Amoudi về sự gia tăng độ lún nén của đất khô mặn sau quá trình thẩm thấu nước ngọt.

Dữ liệu nghiên cứu được biểu diễn trực quan thông qua các đường cong nén lún e - log p để làm rõ sự biến thiên của hệ số rỗng trước và sau khi lọc muối, kết hợp cùng biểu đồ chuyển vị ngang phân bố theo chiều sâu hố đào tại các giai đoạn đào âm 3,0m, âm 7,0m và âm 10,0m. Bảng tổng hợp đối chiếu hệ số an toàn, mô-men uốn và lực cắt của tường chắn ở hai trạng thái đất cung cấp cơ sở khoa học vững chắc giúp kỹ sư nhận diện rõ mức độ nguy hiểm tiềm ẩn khi thiết kế hố đào ven biển.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, tiến hành quan trắc và phân tích độ mặn đất nền định kỳ. Chủ đầu tư và đơn vị khảo sát địa chất cần thiết lập hệ thống giếng quan trắc nồng độ muối trong nước ngầm và đất tại các độ sâu từ 1,0m đến 10,0m với tần suất 15 ngày một lần trong suốt mùa mưa nhằm phát hiện sớm các khu vực có tốc độ rửa mặn nhanh.

Thứ hai, hiệu chỉnh hệ số suy giảm cơ lý trong hồ sơ tính toán kết cấu chắn giữ. Đơn vị tư vấn thiết kế phải chủ động áp dụng hệ số suy giảm cho các chỉ tiêu cơ lý đầu vào khi mô phỏng hố đào: giảm 20% lực dính, giảm 12% góc ma sát trong và giảm 28% mô-đun biến dạng đối với các lớp sét pha và cát pha ngập nước; thời gian hoàn thành hiệu chỉnh trước khi phê duyệt thiết kế bản vẽ thi công 30 ngày.

Thứ ba, tăng cường hệ thống giằng chống thép hình và kiểm soát chuyển vị ngang. Nhà thầu thi công cần bố trí hệ thanh chống thép hình I350x350 tại cao độ âm 3,0m và I400x400 tại cao độ âm 6,0m kết hợp kích dự ứng lực từ 150 kN đến 250 kN; đặt mục tiêu khống chế chuyển vị ngang đỉnh tường dưới mức 2,0 cm và tốc độ dịch chuyển không vượt quá 1,5 mm mỗi ngày trong suốt tiến độ đào đất 90 ngày.

Thứ tư, thi công màng ngăn nước và kiểm soát dòng thấm đáy hố đào. Đơn vị thi công hạ mực nước ngầm từng bước kết hợp tạo các rãnh thu nước mặt có lót màng chống thấm chuyên dụng, duy trì mực nước ngầm cục bộ cách đáy hố đào tối thiểu 0,5m đến 1,0m nhằm triệt tiêu gradient thấm gây xói ngầm và rửa mặn cưỡng bức; triển khai đồng bộ trong 10 ngày trước mỗi đợt đào đất đại trà.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Nhóm thứ nhất là các kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật và công trình ngầm đô thị. Luận văn cung cấp phương pháp luận chi tiết và bộ thông số đầu vào chuẩn xác cho mô hình Hardening Soil trong phần mềm Plaxis 2D, giúp tối ưu hóa chiều sâu ngàm của tường Barrette dày 800mm và hạn chế rủi ro tính toán khi xây dựng công trình trên nền đất nhiễm mặn ven biển.

Nhóm thứ hai là các nhà thầu thi công nền móng và hố đào sâu. Luận văn là tài liệu tham khảo thực tiễn về quy trình đào đất 3 đợt, công nghệ giữ thành vách bằng dung dịch bentonite và biện pháp kích tăng cường hệ thanh chống thép hình I350x350 và I400x400, giúp rút ngắn thời gian thi công và phòng ngừa sự cố mất ổn định hố móng.

Nhóm thứ ba là các đơn vị tư vấn giám sát và quan trắc địa kỹ thuật. Tài liệu đưa ra quy trình đối chiếu chuyển vị thực tế bằng thiết bị đo nghiêng với mô phỏng sai lệch an toàn 19,2%, thiết lập hệ thống cảnh báo sớm dựa trên biến thiên độ mặn và độ dịch chuyển của tường vây.

Nhóm thứ tư là giảng viên, học viên cao học và nghiên cứu sinh chuyên ngành Địa kỹ thuật Xây dựng. Đây là tài liệu học thuật giá trị kết hợp giữa phương pháp thí nghiệm rửa mặn 16 ngày trong phòng và mô phỏng số chuyên sâu cho bài toán tương tác đất - kết cấu trong điều kiện địa chất ven biển biến đổi.

Câu hỏi thường gặp

Hiện tượng rửa mặn ảnh hưởng như thế nào đến độ ổn định của hố đào sâu?
Hiện tượng rửa mặn hòa tan và rửa trôi các ion muối dễ tan trong đất ven biển, khiến độ mặn giảm mạnh từ 5,8 g/l xuống 0,5 g/l. Quá trình này làm lực dính giảm 19,69% và mô-đun biến dạng giảm 27,8%, dẫn đến chuyển vị ngang của tường chắn tăng 34,93% và làm suy giảm biên độ an toàn chống trồi đáy hố đào.

Tại sao nên sử dụng mô hình Hardening Soil thay vì Mohr - Coulomb trong Plaxis 2D?
Mô hình Mohr - Coulomb giả định độ cứng đàn hồi không đổi, dễ đánh giá sai lệch chuyển vị tường vây. Mô hình Hardening Soil mô phỏng chính xác độ cứng phi tuyến phụ thuộc ứng suất và phân tách rõ giữa độ cứng nén nguyên thủy với độ cứng dỡ tải, giúp dự báo chuyển vị đạt độ chính xác cao với sai số an toàn 19,2% so với thực tế quan trắc.

Chuyển vị ngang 1,485 cm tại đỉnh tường Barrette có đảm bảo an toàn thi công không?
Giá trị chuyển vị ngang 1,485 cm hoàn toàn nằm trong giới hạn biến dạng cho phép đối với công trình đô thị (thường khống chế dưới 2,0 cm đến 3,0 cm). Kết quả phân tích khẳng định kết cấu tường Barrette dày 800mm kết hợp hai tầng thanh chống I350x350 và I400x400 đáp ứng đầy đủ khả năng chịu lực và độ ổn định tổng thể.

Phương pháp Sachipana có ưu điểm gì trong tính toán hệ thanh chống hố đào?
Phương pháp Sachipana cho phép xác định chính xác nội lực và lực dọc trục trong các tầng thanh chống theo từng giai đoạn đào đất mà không làm biến đổi mô-men đã tích lũy trên thân tường. Phương pháp giải gần đúng cho giá trị lực dọc trục lớn hơn khoảng 10% so với giải chính xác, tạo biên độ an toàn cao cho thiết kế thi công.

Mực nước ngầm ven biển dao động từ âm 1,0m đến âm 5,0m gây ra những rủi ro gì?
Mực nước ngầm dâng lên âm 1,0m trong mùa mưa làm tăng mạnh áp lực thủy tĩnh lên thân tường và kích hoạt dòng thấm gây rửa mặn nền đất. Khi nước rút xuống âm 5,0m trong mùa khô, nền đất đã bị suy giảm chỉ tiêu cơ lý, tiềm ẩn nguy cơ mất ổn định thành hố đào, bùng đáy và lún nứt công trình xung quanh.

Kết luận

Nghiên cứu mang lại những đóng góp khoa học và giá trị ứng dụng thực tiễn quan trọng cho công tác thiết kế, thi công hố đào sâu tại các vùng ven biển:

  • Xác lập định lượng mức suy giảm lực dính 19,69% và mô-đun biến dạng 27,8% của đất sét pha ven biển Đà Nẵng sau chu kỳ rửa mặn 16 ngày.
  • Chứng minh chuyển vị ngang đỉnh tường Barrette tăng 34,93% khi đất bị rửa mặn, khẳng định tầm quan trọng của việc xét kịch bản bất lợi trong thiết kế.
  • Kiểm chứng độ tin cậy của mô hình số Hardening Soil trên Plaxis 2D với mức chênh lệch chuyển vị an toàn 19,2% so với số liệu quan trắc thực địa.
  • Đề xuất giải pháp kết cấu tường Barrette 800mm kết hợp hai tầng thanh chống thép hình I350x350 và I400x400 đảm bảo ổn định hố đào sâu trên 10,0m.
  • Khuyến nghị các đơn vị chuyên môn thiết lập quy trình kiểm soát nồng độ muối định kỳ và hoàn thiện phương án hạ mực nước ngầm trong vòng 30 đến 60 ngày tới.

Các đơn vị tư vấn thiết kế và nhà thầu xây dựng nên tham khảo chi tiết toàn văn luận văn thạc sĩ này để áp dụng quy trình tính toán an toàn và tối ưu hóa giải pháp kết cấu cho các dự án hố đào sâu ven biển.