Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển nhanh chóng các công trình xây dựng trên biển, sông, hồ tại Việt Nam như công trình dầu khí, móng trụ cầu, tháp giải nhiệt, bể chứa và điện gió, việc nghiên cứu và tối ưu thiết kế móng giếng chìm trở nên cấp thiết. Móng giếng chìm, với khả năng chịu tải tốt và tiết kiệm vật liệu, được ứng dụng rộng rãi cho các kết cấu đối xứng như silo, tháp truyền dẫn, ống khói, trạm radar. Tuy nhiên, đặc điểm địa chất đa dạng của Việt Nam, đặc biệt là nền đất sét không đồng nhất và không đẳng hướng, đặt ra thách thức lớn trong việc đánh giá sức chịu tải của móng giếng chìm.

Luận văn tập trung phân tích sức chịu tải của móng giếng chìm trong nền sét có tính không đồng nhất (sức chống cắt tăng tuyến tính theo độ sâu) và không đẳng hướng (sức chống cắt khác nhau theo các phương trượt). Mục tiêu nghiên cứu là xây dựng mô hình phân tích bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) sử dụng phần mềm PLAXIS 2D với mô hình đất NGI-ADP, đồng thời ứng dụng mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) để dự đoán hệ số sức chịu tải không thứ nguyên của móng. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào nền đất sét, chưa mở rộng sang đất cát, với dữ liệu thu thập từ các nghiên cứu trong và ngoài nước, thời gian nghiên cứu từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2022.

Nghiên cứu có ý nghĩa khoa học quan trọng trong việc cung cấp công cụ hỗ trợ thiết kế móng giếng chìm phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp tại Việt Nam, góp phần nâng cao hiệu quả kỹ thuật và kinh tế cho các công trình xây dựng trên nền đất sét không đồng nhất, không đẳng hướng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết và mô hình chính:

  1. Mô hình đất NGI-ADP (Anisotropic Undrained Shear Strength Model): Đây là mô hình đất đàn hồi dẻo tích hợp tính không đồng nhất và không đẳng hướng của nền đất sét, dựa trên tiêu chuẩn phá hoại Tresca. Mô hình này phân chia đất thành ba vùng: chủ động, bị động và trượt thuần túy, với các thông số sức chống cắt khác nhau theo phương ứng suất chính. Mô hình NGI-ADP được tích hợp trong phần mềm PLAXIS 2D, cho phép mô phỏng chính xác ứng xử của nền đất sét phức tạp.

  2. Mạng nơ-ron nhân tạo (ANN): Phương pháp học máy này được sử dụng để xây dựng mô hình dự đoán hệ số sức chịu tải không thứ nguyên của móng giếng chìm dựa trên dữ liệu đầu ra từ phân tích phần tử hữu hạn. ANN giúp xử lý dữ liệu phi tuyến, phát hiện mối quan hệ phức tạp giữa các tham số thiết kế như tỷ lệ chiều sâu móng trên đường kính (L/D), hệ số bám dính α, hệ số không đồng nhất (gradient sức chống cắt theo độ sâu ρ), và hệ số không đẳng hướng (tỷ số sức chống cắt theo các phương).

Các khái niệm chính bao gồm: sức chống cắt không thoát nước (su), tỷ số L/D, hệ số bám dính α, tính không đồng nhất (su = su0 + ρz), tính không đẳng hướng (tỷ số re giữa các sức chống cắt theo phương khác nhau), và hệ số sức chịu tải không thứ nguyên N.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng phương pháp kết hợp giữa phân tích phần tử hữu hạn (FEM) và mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) theo các bước chính:

  • Thu thập dữ liệu: Tổng hợp số liệu từ các nghiên cứu trước về móng giếng chìm, đặc tính nền đất sét không đồng nhất, không đẳng hướng, và các mô hình vật liệu đất.

  • Mô phỏng FEM: Sử dụng phần mềm PLAXIS 2D với mô hình NGI-ADP để phân tích sức chịu tải của móng giếng chìm. Cỡ mẫu mô phỏng gồm nhiều trường hợp với các biến đầu vào khác nhau như L/D từ khoảng 0.3 đến 2, hệ số bám dính α từ 0.5 đến 1, gradient sức chống cắt ρ và tỷ số không đẳng hướng re. Phương pháp chọn mẫu là thiết kế thí nghiệm có kiểm soát để bao phủ phạm vi tham số.

  • Xây dựng mô hình ANN: Dữ liệu kết quả từ FEM được dùng để huấn luyện mạng nơ-ron nhân tạo nhằm dự đoán hệ số sức chịu tải N. Mạng ANN được thiết kế với kiến trúc phù hợp, sử dụng hàm kích hoạt và thuật toán học thích hợp để tối ưu hóa sai số dự đoán.

  • Phân tích độ nhạy: Đánh giá tầm quan trọng tương đối của các tham số đầu vào đối với sức chịu tải thông qua chỉ số quan trọng tương đối (RII) từ mô hình ANN.

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong khoảng thời gian từ tháng 9 đến tháng 12 năm 2022, bao gồm thu thập dữ liệu, mô phỏng FEM, xây dựng và kiểm định mô hình ANN, phân tích kết quả và hoàn thiện luận văn.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của tỷ số L/D: Kết quả phân tích FEM cho thấy hệ số sức chịu tải N tăng rõ rệt khi tỷ số L/D tăng từ 0.3 đến 2. Cụ thể, khi L/D tăng gấp đôi, N tăng khoảng 25-30%, thể hiện chiều sâu móng đóng vai trò quan trọng trong khả năng chịu tải.

  2. Tác động của hệ số bám dính α: Hệ số bám dính giữa móng và đất sét α có ảnh hưởng trực tiếp đến sức chịu tải. Khi α tăng từ 0.5 lên 1, hệ số N tăng trung bình 20%, cho thấy sự tiếp xúc tốt giữa móng và đất giúp tăng cường khả năng chịu lực.

  3. Ảnh hưởng của tính không đồng nhất (gradient ρ): Sức chống cắt tăng tuyến tính theo độ sâu làm tăng sức chịu tải của móng. Với ρ trong khoảng 0.8–44 kPa/m, hệ số N tăng khoảng 15-25% so với trường hợp nền đất đồng nhất.

  4. Tác động của tính không đẳng hướng (tỷ số re): Tỷ số sức chống cắt theo các phương khác nhau ảnh hưởng đến sự phân bố ứng suất và cơ chế phá hoại. Khi re giảm từ 1 xuống 0.2, hệ số N giảm khoảng 10-15%, cho thấy tính không đẳng hướng làm giảm sức chịu tải của móng.

Mô hình ANN dự đoán hệ số N với sai số trung bình bình phương gốc (RMSE) dưới 5%, cho thấy độ chính xác cao và khả năng ứng dụng thực tiễn. Biểu đồ so sánh kết quả FEM và ANN minh họa sự phù hợp giữa hai phương pháp.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân các tham số ảnh hưởng đến sức chịu tải móng giếng chìm được giải thích dựa trên cơ chế truyền tải lực và sự phân bố ứng suất trong nền đất. Tỷ số L/D lớn hơn giúp móng ăn sâu vào nền đất, tăng diện tích tiếp xúc và khả năng chống kéo. Hệ số bám dính α cao giúp giảm nguy cơ trượt tại mặt tiếp xúc móng-đất. Gradient sức chống cắt ρ thể hiện sự gia tăng cường độ đất theo độ sâu, làm tăng sức chịu tải tổng thể. Tính không đẳng hướng làm thay đổi hướng và cường độ ứng suất cắt, ảnh hưởng đến cơ chế phá hoại.

So sánh với các nghiên cứu quốc tế, kết quả phù hợp với các công trình của Boonchai Ukritchon (2018), Grimstad et al. (2012) và các nghiên cứu ứng dụng mô hình NGI-ADP. Việc kết hợp FEM và ANN tạo ra phương pháp phân tích và dự đoán hiệu quả, giảm thiểu thời gian tính toán so với phương pháp số thuần túy.

Dữ liệu có thể được trình bày qua các biểu đồ đường thể hiện sự biến đổi hệ số N theo từng tham số, bảng tổng hợp kết quả phân tích và bảng so sánh sai số giữa FEM và ANN, giúp minh họa rõ ràng các phát hiện.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình NGI-ADP trong thiết kế móng giếng chìm: Khuyến nghị các kỹ sư địa kỹ thuật sử dụng mô hình NGI-ADP tích hợp trong phần mềm PLAXIS 2D để phân tích nền đất sét không đồng nhất, không đẳng hướng nhằm nâng cao độ chính xác thiết kế. Thời gian áp dụng: ngay lập tức trong các dự án mới.

  2. Sử dụng mô hình ANN để dự đoán sức chịu tải: Đề xuất phát triển và ứng dụng mô hình ANN dựa trên dữ liệu FEM để dự đoán nhanh hệ số sức chịu tải, giảm thiểu chi phí và thời gian tính toán. Chủ thể thực hiện: các trung tâm nghiên cứu và công ty tư vấn địa kỹ thuật, trong vòng 6 tháng.

  3. Đánh giá kỹ lưỡng các tham số thiết kế: Khuyến khích khảo sát chi tiết các tham số như tỷ số L/D, hệ số bám dính α, gradient sức chống cắt ρ và tỷ số không đẳng hướng re trong từng dự án cụ thể để tối ưu hóa thiết kế móng. Thời gian thực hiện: trong giai đoạn khảo sát địa chất ban đầu.

  4. Mở rộng nghiên cứu sang các loại đất khác: Đề xuất nghiên cứu tiếp theo mở rộng phân tích sức chịu tải móng giếng chìm trên nền đất cát và các loại đất phức tạp khác, sử dụng kết hợp FEM và các phương pháp máy học khác ngoài ANN. Chủ thể thực hiện: các viện nghiên cứu và trường đại học, trong vòng 1-2 năm tới.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư địa kỹ thuật và thiết kế móng: Luận văn cung cấp công cụ và kiến thức chuyên sâu giúp kỹ sư đánh giá chính xác sức chịu tải móng giếng chìm trong nền đất sét phức tạp, hỗ trợ thiết kế an toàn và hiệu quả.

  2. Các nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng, địa kỹ thuật: Tài liệu là nguồn tham khảo quý giá về ứng dụng mô hình NGI-ADP, FEM và ANN trong phân tích nền móng, giúp nâng cao hiểu biết và phát triển nghiên cứu tiếp theo.

  3. Công ty tư vấn và thi công xây dựng: Các đơn vị này có thể áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa quy trình thiết kế và thi công móng giếng chìm, giảm thiểu rủi ro và chi phí dự án.

  4. Cơ quan quản lý và hoạch định chính sách xây dựng: Luận văn cung cấp cơ sở khoa học để xây dựng các tiêu chuẩn, quy chuẩn kỹ thuật liên quan đến thiết kế móng trên nền đất sét không đồng nhất, không đẳng hướng, góp phần nâng cao chất lượng công trình.

Câu hỏi thường gặp

  1. Móng giếng chìm là gì và tại sao lại quan trọng trong xây dựng?
    Móng giếng chìm là loại móng có hình trụ rỗng, sử dụng áp lực hút để loại bỏ nước trong hố móng, thích hợp cho các công trình trên nền đất yếu như sét. Nó giúp tăng khả năng chịu tải và ổn định công trình, đồng thời giảm chi phí vật liệu.

  2. Tính không đồng nhất và không đẳng hướng của nền đất sét ảnh hưởng thế nào đến móng giếng chìm?
    Tính không đồng nhất thể hiện sức chống cắt tăng theo độ sâu, còn không đẳng hướng là sức chống cắt khác nhau theo các phương trượt. Hai tính chất này làm thay đổi cơ chế truyền tải lực và phá hoại, ảnh hưởng trực tiếp đến sức chịu tải của móng.

  3. Phương pháp phần tử hữu hạn (FEM) và mạng nơ-ron nhân tạo (ANN) được sử dụng như thế nào trong nghiên cứu?
    FEM được dùng để mô phỏng chi tiết ứng xử móng và nền đất, tạo ra dữ liệu số. ANN sử dụng dữ liệu này để xây dựng mô hình dự đoán nhanh hệ số sức chịu tải, giúp tiết kiệm thời gian và chi phí tính toán.

  4. Các tham số thiết kế nào ảnh hưởng nhiều nhất đến sức chịu tải của móng giếng chìm?
    Tỷ số chiều sâu móng trên đường kính (L/D), hệ số bám dính α, gradient sức chống cắt theo độ sâu ρ và tỷ số sức chống cắt không đẳng hướng re là các tham số quan trọng nhất, ảnh hưởng đến hệ số sức chịu tải không thứ nguyên N.

  5. Làm thế nào để áp dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế thiết kế móng?
    Kết quả nghiên cứu cung cấp biểu đồ thiết kế, bảng và công thức thực nghiệm để kỹ sư có thể tính toán nhanh hệ số sức chịu tải phù hợp với điều kiện địa chất cụ thể, đồng thời sử dụng phần mềm PLAXIS 2D và mô hình ANN để phân tích chi tiết.

Kết luận

  • Luận văn đã phát triển thành công mô hình phân tích sức chịu tải của móng giếng chìm trong nền đất sét không đồng nhất, không đẳng hướng bằng phương pháp phần tử hữu hạn và mạng nơ-ron nhân tạo.
  • Mô hình NGI-ADP tích hợp trong PLAXIS 2D cho phép mô phỏng chính xác tính chất phức tạp của nền đất sét.
  • Mạng ANN dự đoán hệ số sức chịu tải với độ chính xác cao, hỗ trợ thiết kế nhanh và hiệu quả.
  • Các tham số L/D, α, ρ và re có ảnh hưởng đáng kể đến sức chịu tải, cần được khảo sát kỹ lưỡng trong thiết kế.
  • Nghiên cứu mở ra hướng phát triển ứng dụng máy học trong địa kỹ thuật, đề xuất mở rộng sang các loại đất và phương pháp học máy khác trong tương lai.

Hành động tiếp theo: Áp dụng mô hình và công thức nghiên cứu vào các dự án thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng để nâng cao tính ứng dụng và độ chính xác. Các kỹ sư và nhà nghiên cứu được khuyến khích tham khảo và phát triển thêm dựa trên kết quả này.