Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng và quỹ đất ngày càng hạn hẹp tại các thành phố lớn trên thế giới và Việt Nam, việc khai thác không gian ngầm trở thành xu hướng tất yếu. Theo báo cáo của ngành xây dựng, nhiều công trình cao tầng hiện đại đều có từ 1 đến 6 tầng hầm, như Taipei 101 (Đài Loan) với 5 tầng hầm, Lotte World Premium Tower (Hàn Quốc) có 6 tầng hầm, hay các tòa nhà tại TP. Hồ Chí Minh như Bitexco Financial Tower với 3 tầng hầm. Việc xây dựng các công trình hầm sâu đòi hỏi giải pháp kỹ thuật phức tạp nhằm đảm bảo an toàn, ổn định và hiệu quả kinh tế.

Luận văn tập trung nghiên cứu phân tích ứng xử của tường vây trong hỗ móng công trình Ánh Quang Plaza - Sóc Trăng, nhằm đánh giá và so sánh hai hệ kết cấu chắn giữ phổ biến: tường cừ thép FSP4 và cọc xi măng đất đường kính 800mm. Mục tiêu chính là tính toán nội lực, chuyển vị và đánh giá sự làm việc đồng thời giữa kết cấu và đất nền, từ đó đề xuất giải pháp thiết kế và thi công phù hợp, đảm bảo an toàn và hiệu quả cho công trình.

Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích lý thuyết áp lực đất, áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Plaxis 8.6, và khảo sát thực tế công trình Ánh Quang Plaza trong giai đoạn thi công đào sâu. Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc nâng cao chất lượng thiết kế, thi công hỗ móng sâu, góp phần giảm thiểu rủi ro, bảo vệ công trình lân cận và tối ưu chi phí xây dựng.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết cơ bản trong cơ học đất và thiết kế kết cấu hỗ móng sâu:

  1. Lý thuyết áp lực đất Coulomb và Rankine: Đây là cơ sở để xác định áp lực đất chủ động, bị động và áp lực đất nghỉ tác dụng lên tường chắn. Lý thuyết Rankine sử dụng trạng thái cân bằng giới hạn và vòng tròn Mohr để mô tả ứng suất trong đất, trong khi Coulomb phân tích sự cân bằng lực trên khối trượt đất. Các khái niệm chính bao gồm áp lực đất chủ động (E_a), áp lực đất bị động (E_p), hệ số áp lực đất (K_a, K_p), và ảnh hưởng của chuyển vị tường chắn đến áp lực đất.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn (PTHH): Sử dụng phần mềm Plaxis 8.6 để mô phỏng ứng xử của đất và kết cấu trong quá trình thi công đào sâu. PTHH cho phép phân tích chi tiết chuyển vị, nội lực, ứng suất và biến dạng của hệ thống tường vây và đất nền theo từng giai đoạn thi công, giúp đánh giá độ ổn định và an toàn của công trình.

Các khái niệm chuyên ngành quan trọng gồm: tường cừ thép FSP4, cọc xi măng đất, áp lực đất chủ động và bị động, chuyển vị ngang tường chắn, nội lực thanh chống, và hiệu ứng thời gian - không gian trong hỗ móng sâu.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu khảo sát địa chất, thủy văn công trình Ánh Quang Plaza, thông số kỹ thuật của tường cừ thép và cọc xi măng đất, cùng kết quả thí nghiệm cơ lý đất nền. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ hệ thống hỗ móng công trình với hai phương án kết cấu chắn giữ.

Phương pháp phân tích gồm:

  • Tính toán áp lực đất theo lý thuyết Coulomb và Rankine, hiệu chỉnh theo kinh nghiệm thực tế.
  • Mô phỏng phần tử hữu hạn bằng Plaxis 8.6, phân tích chuyển vị, nội lực và ứng suất trong từng giai đoạn thi công đào sâu.
  • So sánh kết quả giữa hai phương án kết cấu chắn giữ để đánh giá ưu nhược điểm và đề xuất giải pháp tối ưu.

Timeline nghiên cứu kéo dài trong suốt quá trình thi công công trình, tập trung vào giai đoạn đào sâu hỗ móng và lắp đặt kết cấu chắn giữ.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Chuyển vị tường vây: Phân tích cho thấy chuyển vị ngang đỉnh tường cừ thép FSP4 trong giai đoạn đào sâu đạt khoảng 12-15 mm, thấp hơn 20% so với chuyển vị của tường cọc xi măng đất (khoảng 18-20 mm). Điều này cho thấy tường cừ thép có độ cứng và khả năng giữ ổn định tốt hơn trong điều kiện đất yếu.

  2. Nội lực thanh chống: Nội lực trong thanh chống của hệ tường cừ thép đạt trung bình 350 kN, trong khi hệ cọc xi măng đất là khoảng 280 kN, phản ánh khả năng chịu lực cao hơn của hệ tường cừ thép. Tuy nhiên, hệ cọc xi măng đất có ưu điểm về khả năng phân bố tải trọng đều hơn.

  3. Áp lực đất tác dụng: Áp lực đất chủ động tính toán theo lý thuyết Coulomb và mô phỏng phần tử hữu hạn có sự chênh lệch khoảng 10-15%, trong đó mô phỏng PTHH cho kết quả sát với thực tế hơn nhờ tính đến hiệu ứng thời gian và biến dạng đất.

  4. Ảnh hưởng của mực nước ngầm: Việc kiểm soát mực nước ngầm trong quá trình thi công là yếu tố quyết định đến độ ổn định của hỗ móng. Mực nước ngầm giảm quá nhanh gây ra hiện tượng sụt lún nền đất lên đến 5-7 mm, ảnh hưởng đến kết cấu tường vây và công trình lân cận.

Thảo luận kết quả

Kết quả nghiên cứu khẳng định rằng việc lựa chọn hệ kết cấu chắn giữ phù hợp với điều kiện địa chất và công nghệ thi công là rất quan trọng. Hệ tường cừ thép FSP4 với thanh chống H300 cho thấy ưu thế về độ cứng và khả năng chịu lực, phù hợp với các công trình có tải trọng lớn và yêu cầu an toàn cao. Trong khi đó, hệ cọc xi măng đất có lợi thế về khả năng thích ứng với đất yếu và giảm thiểu biến dạng đất xung quanh.

So sánh với các nghiên cứu trong ngành, kết quả phù hợp với báo cáo của ngành xây dựng về hiệu quả của tường cừ thép trong các công trình hầm sâu tại các đô thị lớn. Việc sử dụng phần mềm Plaxis 8.6 giúp mô phỏng chính xác hơn các hiện tượng phức tạp như hiệu ứng thời gian, không gian và ảnh hưởng của mực nước ngầm, điều mà các phương pháp lý thuyết truyền thống khó có thể thể hiện đầy đủ.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ chuyển vị theo chiều sâu, bảng so sánh nội lực thanh chống giữa hai phương án, và đồ thị phân bố áp lực đất theo chiều cao tường chắn, giúp trực quan hóa sự khác biệt và hỗ trợ quyết định thiết kế.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường kiểm soát mực nước ngầm: Áp dụng hệ thống bơm hút và kiểm soát mực nước ngầm liên tục trong suốt quá trình thi công để hạn chế sụt lún nền đất, đảm bảo ổn định cho tường vây và công trình lân cận. Thời gian thực hiện: liên tục trong giai đoạn đào sâu; Chủ thể: nhà thầu thi công và tư vấn giám sát.

  2. Ưu tiên sử dụng tường cừ thép FSP4 cho công trình tải trọng lớn: Do khả năng chịu lực và độ cứng cao, tường cừ thép nên được áp dụng cho các công trình có yêu cầu an toàn nghiêm ngặt và tải trọng lớn. Thời gian: áp dụng trong giai đoạn thiết kế và thi công; Chủ thể: đơn vị thiết kế và nhà thầu.

  3. Sử dụng phần mềm mô phỏng phần tử hữu hạn trong thiết kế: Khuyến khích áp dụng Plaxis 8.6 hoặc các phần mềm tương tự để mô phỏng chi tiết quá trình thi công, giúp dự báo chính xác chuyển vị và nội lực, từ đó tối ưu biện pháp thi công. Thời gian: trong giai đoạn thiết kế và giám sát; Chủ thể: kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát.

  4. Đào tạo và nâng cao năng lực chuyên môn cho đội ngũ thi công: Tăng cường đào tạo về kỹ thuật thi công hỗ móng sâu, đặc biệt là kỹ thuật ép cừ thép và xử lý đất yếu, nhằm giảm thiểu rủi ro và nâng cao chất lượng công trình. Thời gian: liên tục; Chủ thể: chủ đầu tư, nhà thầu và các cơ sở đào tạo.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Luận văn cung cấp cơ sở lý thuyết và phương pháp tính toán chi tiết, giúp kỹ sư lựa chọn giải pháp kết cấu chắn giữ phù hợp với điều kiện địa chất và yêu cầu công trình.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm và hỗ móng sâu: Thông tin về phương pháp thi công, kiểm soát mực nước ngầm và phân tích nội lực giúp nhà thầu tối ưu quy trình thi công, đảm bảo an toàn và tiến độ.

  3. Chuyên gia tư vấn giám sát và quản lý dự án: Các kết quả mô phỏng và phân tích giúp giám sát viên đánh giá chính xác tình trạng công trình trong quá trình thi công, từ đó đưa ra các biện pháp xử lý kịp thời.

  4. Nghiên cứu sinh và sinh viên ngành xây dựng, cơ học đất: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng lý thuyết cơ học đất, phương pháp phần tử hữu hạn và thực tiễn thi công hỗ móng sâu trong môi trường đô thị.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao phải phân tích áp lực đất chủ động và bị động trong thiết kế hỗ móng sâu?
    Áp lực đất chủ động và bị động phản ánh các trạng thái ứng suất khác nhau của đất khi tường chắn chuyển vị. Phân tích hai loại áp lực này giúp thiết kế kết cấu tường vây đảm bảo chịu lực và ổn định trong mọi tình huống thi công và sử dụng.

  2. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì so với phương pháp tính toán truyền thống?
    Phương pháp phần tử hữu hạn mô phỏng chính xác sự tương tác giữa đất và kết cấu, tính đến hiệu ứng thời gian, biến dạng và điều kiện biên phức tạp, giúp dự báo chuyển vị và nội lực thực tế hơn so với các công thức lý thuyết đơn giản.

  3. Làm thế nào để kiểm soát mực nước ngầm trong quá trình thi công hỗ móng sâu?
    Có thể sử dụng hệ thống bơm hút nước ngầm, kết hợp với các biện pháp chống thấm tường chắn và theo dõi mực nước liên tục để tránh sụt lún nền đất và đảm bảo ổn định công trình.

  4. Ưu nhược điểm của tường cừ thép và cọc xi măng đất là gì?
    Tường cừ thép có độ cứng và khả năng chịu lực cao, thích hợp cho công trình tải trọng lớn nhưng chi phí và vận chuyển hạn chế chiều sâu thi công. Cọc xi măng đất thích ứng tốt với đất yếu, giảm biến dạng đất xung quanh nhưng có chuyển vị lớn hơn và chịu lực thấp hơn.

  5. Có thể áp dụng kết quả nghiên cứu này cho các công trình khác không?
    Có thể, đặc biệt là các công trình hỗ móng sâu trong điều kiện địa chất tương tự và yêu cầu kỹ thuật tương đương. Tuy nhiên, cần điều chỉnh thông số kỹ thuật phù hợp với từng công trình cụ thể.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích và so sánh hiệu quả của hai hệ kết cấu chắn giữ tường cừ thép FSP4 và cọc xi măng đất trong hỗ móng sâu công trình Ánh Quang Plaza - Sóc Trăng.
  • Phương pháp phần tử hữu hạn với phần mềm Plaxis 8.6 được áp dụng thành công, cho kết quả mô phỏng chính xác chuyển vị và nội lực trong từng giai đoạn thi công.
  • Kết quả cho thấy tường cừ thép có ưu thế về độ cứng và khả năng chịu lực, trong khi cọc xi măng đất phù hợp với đất yếu và giảm thiểu biến dạng đất xung quanh.
  • Đề xuất các giải pháp kiểm soát mực nước ngầm, ưu tiên sử dụng tường cừ thép cho công trình tải trọng lớn, và áp dụng mô phỏng phần tử hữu hạn trong thiết kế và thi công.
  • Nghiên cứu mở hướng cho việc ứng dụng các phương pháp tính toán hiện đại và kỹ thuật thi công tiên tiến nhằm nâng cao chất lượng và an toàn công trình hỗ móng sâu trong đô thị.

Tiếp theo, cần triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất vào thực tế thi công, đồng thời mở rộng nghiên cứu cho các công trình có điều kiện địa chất phức tạp hơn. Độc giả và chuyên gia được khuyến khích tham khảo và áp dụng kết quả nghiên cứu để nâng cao hiệu quả thiết kế và thi công công trình hỗ móng sâu.