Tổng quan nghiên cứu

Khu vực Quận 2, Thành phố Hồ Chí Minh, là một trong những vùng phát triển mạnh mẽ về thị trường bất động sản với hạ tầng giao thông và khu dân cư mới được đầu tư đồng bộ. Tuy nhiên, theo các kết quả khảo sát địa chất, khu vực này có lớp bùn sét mềm dày trung bình từ 15 đến 30 mét, gây ra nhiều thách thức trong thiết kế và thi công các công trình có tầng hầm sâu. Áp lực thủy tĩnh nổi (áp lực nổi) trong lớp bùn sét này là nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng nứt sàn hầm, thấm nước và nguy cơ mất an toàn kết cấu.

Mục tiêu nghiên cứu là phân tích và đánh giá tác động của áp lực nổi lên sàn tầng hầm các công trình xây dựng tại Quận 2, TP. HCM, thông qua các phương pháp quan trắc thực nghiệm (Piezometer, Standpipe) và mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm PLAXIS. Nghiên cứu tập trung vào việc xác định biến thiên áp lực nổi theo thời gian, ảnh hưởng của số tầng hầm và loại tường vây đến áp lực này, cũng như phân tích ứng suất và moment gây ra trên sàn hầm.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm các công trình có tầng hầm sâu tại Quận 2, với dữ liệu thu thập trong khoảng thời gian hơn 50 năm kể từ khi bắt đầu quá trình hồi nước ngầm. Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế kết cấu sàn hầm an toàn, tiết kiệm chi phí và đề xuất các biện pháp phòng tránh, khắc phục tác động của áp lực nổi trong điều kiện địa chất đặc thù.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu dựa trên các lý thuyết và mô hình sau:

  • Lý thuyết áp lực nổi (Buoyancy Force): Áp lực nổi phát sinh do chênh lệch áp suất nước ngầm tác động lên kết cấu ngầm, được mô tả qua công thức $U = \gamma_w \times z \times B$, trong đó $\gamma_w$ là trọng lượng riêng của nước, $z$ chiều cao cột nước, $B$ bề rộng kết cấu.

  • Mô hình dòng chảy ngầm và áp lực lỗ rỗng: Sử dụng phương trình Darcy và phương trình liên tục để mô tả dòng chảy tạm thời (transient flow) trong môi trường bùn sét mềm, kết hợp mô hình Van Genuchten để mô phỏng đặc tính giữ nước và áp lực mao dẫn trong đất.

  • Phân tích phần tử hữu hạn (Finite Element Method - FEM): Áp dụng phần mềm PLAXIS 2D để mô phỏng áp lực nổi và ứng suất trên sàn hầm, sử dụng mô hình Biot cho sự tương tác giữa dòng chảy nước và biến dạng đất.

  • Khái niệm thủy triều và ảnh hưởng: Thủy triều được xem là biến thiên mực nước ngầm theo chu kỳ, ảnh hưởng đến áp lực nổi và ứng suất trong kết cấu hầm.

Phương pháp nghiên cứu

  • Nguồn dữ liệu: Thu thập dữ liệu thực nghiệm từ các thiết bị quan trắc áp lực nước ngầm Piezometer (Geokon GK-4500S) và Standpipe (Yamayo WL50) tại 5 vị trí khoan khảo sát sâu 45m trong khu vực Quận 2. Dữ liệu được ghi nhận liên tục trong nhiều năm, đặc biệt chú trọng giai đoạn 50 năm sau khi hồi nước ngầm.

  • Phương pháp phân tích: Sử dụng phần mềm OYO S&DL mini để xử lý dữ liệu áp lực nước ngầm, kết hợp mô phỏng phần tử hữu hạn bằng PLAXIS 2D để phân tích áp lực nổi tác động lên sàn hầm với các kịch bản số tầng hầm từ 1 đến 5 và các loại tường vây khác nhau (sheet pile - SP và diaphragm wall - DW).

  • Timeline nghiên cứu: Nghiên cứu được thực hiện trong giai đoạn từ năm 2019 đến 2020, với các bước: khảo sát địa chất, lắp đặt thiết bị quan trắc, thu thập và xử lý dữ liệu, mô phỏng và phân tích kết quả, đề xuất giải pháp.

  • Cỡ mẫu và chọn mẫu: Lấy mẫu tại 5 điểm khoan khảo sát đại diện cho đặc điểm địa chất bùn sét mềm dày 15-30m, đảm bảo tính đại diện cho khu vực nghiên cứu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Biến thiên áp lực nổi theo thời gian: Áp lực nổi tăng nhanh trong 10 năm đầu, đạt khoảng 90% áp lực ổn định, sau đó tăng chậm và đạt trạng thái ổn định sau hơn 50 năm. Sự tăng áp lực nổi có mối tương quan tích cực với quá trình tiêu tán áp lực lỗ rỗng dư thừa trong bùn sét.

  2. Ảnh hưởng số tầng hầm: Công trình có nhiều tầng hầm hơn chịu áp lực nổi lớn hơn. Ví dụ, công trình 5 tầng hầm có moment uốn do áp lực nổi lớn hơn khoảng 1.4 lần so với công trình 2 tầng hầm.

  3. Ảnh hưởng loại tường vây: Công trình sử dụng tường vây dạng cừ Larsen (sheet pile - SP) có tốc độ tăng áp lực nổi nhanh hơn so với tường vây dạng vách ván bê tông (diaphragm wall - DW). Điều này ảnh hưởng đến thiết kế và biện pháp thi công tầng hầm.

  4. Ảnh hưởng mùa vụ: Áp lực nổi và moment uốn trong mùa mưa lớn hơn nhiều so với mùa khô. Cụ thể, chênh lệch moment uốn giữa mùa mưa và mùa khô là 6.5 lần đối với công trình 2 tầng hầm, giảm dần còn 1.4 lần đối với công trình 5 tầng hầm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân áp lực nổi tăng nhanh trong giai đoạn đầu là do quá trình hồi nước ngầm làm tăng áp suất nước trong lỗ rỗng bùn sét, gây ra lực đẩy lên kết cấu sàn hầm. Sự tiêu tán áp lực lỗ rỗng dư thừa diễn ra chậm do tính chất thấm thấp của bùn sét mềm, dẫn đến áp lực nổi duy trì trong thời gian dài.

So sánh với các nghiên cứu trong và ngoài nước, kết quả phù hợp với mô hình lý thuyết và thực nghiệm về áp lực nổi trong đất mềm có lớp nước ngầm sâu. Việc áp dụng mô hình phần tử hữu hạn PLAXIS giúp mô phỏng chính xác sự phân bố áp lực và ứng suất, hỗ trợ thiết kế kết cấu an toàn.

Biểu đồ biến thiên áp lực nổi theo thời gian và bảng so sánh moment uốn giữa các loại công trình được sử dụng để minh họa rõ ràng các phát hiện. Kết quả nhấn mạnh tầm quan trọng của việc tính toán chính xác áp lực nổi trong thiết kế tầng hầm, tránh hiện tượng nứt, thấm nước và hư hỏng kết cấu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tính toán áp lực nổi chính xác: Áp dụng mô hình phần tử hữu hạn kết hợp dữ liệu quan trắc thực tế để xác định áp lực nổi theo thời gian, đặc biệt chú ý đến giai đoạn 10 năm đầu và các mùa mưa. Chủ thể thực hiện: các kỹ sư thiết kế kết cấu, thời gian: trước khi thiết kế công trình.

  2. Lựa chọn loại tường vây phù hợp: Ưu tiên sử dụng tường vây diaphragm wall (DW) cho các công trình nhiều tầng hầm để giảm tốc độ tăng áp lực nổi, từ đó giảm ứng suất trên sàn hầm. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công, thời gian: giai đoạn thi công tầng hầm.

  3. Thiết kế cốt thép hợp lý: Bố trí cốt thép chịu kéo tại các vị trí chịu moment uốn do áp lực nổi, tránh nứt kết cấu và thấm nước. Chủ thể thực hiện: kỹ sư kết cấu, thời gian: giai đoạn thiết kế chi tiết.

  4. Giám sát áp lực nước ngầm liên tục: Lắp đặt hệ thống quan trắc áp lực nước ngầm (Piezometer, Standpipe) trong và sau thi công để theo dõi biến động áp lực nổi, kịp thời điều chỉnh biện pháp thi công và bảo trì. Chủ thể thực hiện: chủ đầu tư và đơn vị giám sát, thời gian: trong suốt quá trình thi công và vận hành công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu: Nắm bắt được ảnh hưởng của áp lực nổi lên kết cấu tầng hầm, từ đó thiết kế an toàn, tiết kiệm chi phí vật liệu và thi công.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm: Hiểu rõ tác động của áp lực nổi và lựa chọn phương pháp thi công, loại tường vây phù hợp nhằm đảm bảo tiến độ và chất lượng công trình.

  3. Chuyên gia địa kỹ thuật: Sử dụng dữ liệu quan trắc và mô hình phân tích để đánh giá điều kiện địa chất, áp lực nước ngầm, hỗ trợ tư vấn và giám sát thi công.

  4. Chủ đầu tư và quản lý dự án: Nắm được các rủi ro liên quan đến áp lực nổi, từ đó đưa ra quyết định đầu tư, giám sát và bảo trì công trình hiệu quả.

Câu hỏi thường gặp

  1. Áp lực nổi là gì và tại sao nó quan trọng trong thiết kế tầng hầm?
    Áp lực nổi là lực đẩy do áp suất nước ngầm tác động lên kết cấu ngầm, có thể gây nứt, thấm nước và mất an toàn kết cấu nếu không được tính toán chính xác. Ví dụ, tại Quận 2, áp lực nổi tăng nhanh trong 10 năm đầu gây ra nhiều hiện tượng nứt sàn hầm.

  2. Phương pháp nào được sử dụng để đo áp lực nổi trong nghiên cứu?
    Nghiên cứu sử dụng thiết bị Piezometer và Standpipe để quan trắc trực tiếp áp lực nước ngầm, kết hợp phần mềm OYO S&DL mini để xử lý dữ liệu và mô phỏng PLAXIS để phân tích áp lực nổi.

  3. Ảnh hưởng của số tầng hầm đến áp lực nổi như thế nào?
    Số tầng hầm càng nhiều thì áp lực nổi và moment uốn trên sàn hầm càng lớn. Ví dụ, công trình 5 tầng hầm chịu moment uốn lớn hơn 1.4 lần so với công trình 2 tầng hầm.

  4. Loại tường vây nào giúp giảm áp lực nổi hiệu quả hơn?
    Tường vây diaphragm wall (DW) giúp giảm tốc độ tăng áp lực nổi so với tường cừ Larsen (SP), từ đó giảm ứng suất và nguy cơ hư hỏng kết cấu.

  5. Làm thế nào để phòng tránh hiện tượng nứt và thấm nước do áp lực nổi?
    Thiết kế cốt thép chịu kéo hợp lý, giám sát áp lực nước ngầm liên tục và lựa chọn phương pháp thi công phù hợp là các biện pháp hiệu quả để phòng tránh hiện tượng này.

Kết luận

  • Áp lực nổi trong lớp bùn sét mềm tại Quận 2 tăng nhanh trong 10 năm đầu, đạt trạng thái ổn định sau hơn 50 năm.
  • Số tầng hầm và loại tường vây ảnh hưởng đáng kể đến áp lực nổi và ứng suất trên sàn hầm.
  • Mùa mưa làm tăng áp lực nổi và moment uốn lên nhiều lần so với mùa khô.
  • Việc kết hợp quan trắc thực nghiệm và mô phỏng phần tử hữu hạn giúp thiết kế kết cấu an toàn và hiệu quả.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế, thi công và giám sát nhằm giảm thiểu rủi ro do áp lực nổi gây ra.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất vào thiết kế và thi công thực tế, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các khu vực có điều kiện địa chất tương tự. Mời các chuyên gia, kỹ sư và nhà quản lý quan tâm tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao chất lượng công trình ngầm tại TP. HCM và các vùng lân cận.