Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị hiện đại, nhu cầu xây dựng các công trình cao tầng có tầng hầm tại các khu vực trung tâm ngày càng gia tăng, đặc biệt là tại quận 1, TP. Hồ Chí Minh. Theo ước tính, các công trình này thường có từ 3 tầng hầm trở lên, đòi hỏi kỹ thuật thi công hố đào sâu với hệ thống tường vây chắc chắn nhằm đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế. Việc thiết kế và thi công hố đào sâu là một phân đoạn quan trọng trong kỹ thuật nền móng, chịu ảnh hưởng trực tiếp bởi tải trọng công trình, chiều sâu, chiều rộng hố đào và điều kiện địa chất phức tạp của khu vực.

Luận văn tập trung phân tích ứng xử giữa đất nền và tường vây hố đào cho công trình Khách sạn Kỳ Hòa tại số 39-39A Nguyễn Trung Trực, phường Bến Thành, quận 1, TP. Hồ Chí Minh. Công trình có quy mô gồm 3 tầng hầm, tầng trệt, tầng lửng và 13 lầu, sử dụng tường vây cọc Barrette và móng cọc khoan nhồi. Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá hệ số an toàn tổng thể, sự phình trồi của đất bên trong hố đào và chuyển vị tường vây thông qua mô phỏng phần tử hữu hạn bằng phần mềm Plaxis 2D, đồng thời so sánh với số liệu thực nghiệm đo đạc tại hiện trường. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào chiều dài tường vây thay đổi từ 18m đến 30m, nhằm tìm ra chiều dài tường vây tối ưu đảm bảo an toàn và kinh tế.

Ý nghĩa của nghiên cứu không chỉ giúp nâng cao kiến thức chuyên môn về tương tác đất - kết cấu trong thi công hố đào sâu mà còn cung cấp cơ sở khoa học cho việc thiết kế và thi công các công trình tương tự trong điều kiện địa chất phức tạp tại khu vực nội thành TP. Hồ Chí Minh.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai mô hình cơ bản trong phân tích ứng xử đất nền:

  • Mô hình Mohr-Coulomb (MC): Mô hình này sử dụng các thông số cơ lý như góc ma sát trong, độ dính và hệ số Poisson để mô phỏng ứng xử đàn hồi - dẻo của đất nền. Đây là mô hình truyền thống, đơn giản nhưng hiệu quả trong việc đánh giá áp lực đất và chuyển vị tường vây.

  • Mô hình Hardening Soil (HS): Mô hình này mô tả tính phi tuyến và biến dạng đàn hồi không hồi phục của đất nền, phù hợp với các điều kiện địa chất phức tạp và tải trọng thay đổi trong quá trình thi công. Mô hình HS cho phép mô phỏng chính xác hơn sự biến dạng và ứng suất trong đất.

Các khái niệm chính được sử dụng bao gồm:

  • Áp lực đất chủ động và bị động: Dựa trên lý thuyết Rankine và Coulomb, áp lực đất tác động lên tường vây được xác định để đánh giá sự ổn định và chuyển vị.

  • Hệ số an toàn: Được tính toán để đảm bảo tường vây và hố đào không bị phá hoại trong quá trình thi công.

  • Phình trồi đáy hố đào: Hiện tượng đất dưới đáy hố đào bị đẩy lên do áp lực vượt quá khả năng chịu lực của đất nền.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu địa chất khảo sát thực tế tại công trình Khách sạn Kỳ Hòa và số liệu quan trắc chuyển vị tường vây trong quá trình thi công. Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ chiều dài tường vây từ 18m đến 30m, được phân tích qua 7 trường hợp khác nhau.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis 2D với hai mô hình đất nền Mohr-Coulomb và Hardening Soil để mô phỏng ứng xử đất và tường vây. Các thông số đầu vào được xác định từ thí nghiệm nén ba trục, thí nghiệm oedometer và các công thức thực nghiệm liên quan đến đặc tính cơ lý của đất.

Timeline nghiên cứu bao gồm:

  • Thu thập và xử lý số liệu địa chất, thí nghiệm cơ lý đất nền.

  • Mô phỏng phần tử hữu hạn với các chiều dài tường vây khác nhau.

  • So sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế.

  • Đánh giá hệ số an toàn và đề xuất chiều dài tường vây tối ưu.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Thông số độ cứng đất nền phù hợp: Thông số độ cứng E50ref lấy bằng Eode (xác định từ thí nghiệm oedometer) được xác định là phù hợp để mô phỏng biến dạng tường vây bằng phương pháp phần tử hữu hạn. Kết quả mô phỏng với mô hình Hardening Soil cho độ chính xác cao hơn mô hình Mohr-Coulomb, đặc biệt trong việc dự đoán chuyển vị ngang tường vây.

  2. Hệ số an toàn tổng thể: Hệ số an toàn của hố đào thay đổi theo chiều dài tường vây, dao động trong khoảng từ 1.3 đến 1.6 khi chiều dài tường từ 18m đến 30m. Chiều dài tường vây từ 24m đến 28m được xác định là tối ưu, vừa đảm bảo an toàn chống trượt và trồi đáy hố đào, vừa tiết kiệm chi phí thi công.

  3. Chuyển vị tường vây: Kết quả mô phỏng chuyển vị ngang tường vây cho thấy chuyển vị giảm dần khi tăng chiều dài tường vây. So sánh với số liệu thực tế đo đạc tại công trình, mô hình Hardening Soil cho sai số nhỏ hơn 10%, trong khi mô hình Mohr-Coulomb có sai số lớn hơn 15%.

  4. Hiện tượng phình trồi đáy hố đào: Phân tích ổn định đáy hố đào theo phương pháp Terzaghi cho thấy hệ số an toàn chống trồi đáy hố đào luôn lớn hơn 1.3 trong các trường hợp chiều dài tường vây từ 20m trở lên, đảm bảo không xảy ra hiện tượng phình trồi nguy hiểm.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của sự khác biệt giữa hai mô hình nằm ở khả năng mô phỏng tính phi tuyến và biến dạng không hồi phục của đất nền trong mô hình Hardening Soil, phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp tại khu vực nghiên cứu. Kết quả này tương đồng với các nghiên cứu trước đây cho thấy mô hình Hardening Soil thường cho kết quả chính xác hơn trong phân tích hố đào sâu.

Việc lựa chọn chiều dài tường vây trong khoảng 24m đến 28m không chỉ đảm bảo hệ số an toàn trên 1.3 mà còn giảm thiểu chuyển vị tường vây, hạn chế ảnh hưởng đến các công trình lân cận. Biểu đồ so sánh hệ số an toàn và chuyển vị theo chiều dài tường vây có thể minh họa rõ ràng xu hướng này, hỗ trợ cho việc ra quyết định thiết kế.

Ngoài ra, việc so sánh số liệu thực tế với mô phỏng giúp đánh giá độ tin cậy của phương pháp phần tử hữu hạn trong thiết kế và thi công hố đào sâu, góp phần nâng cao hiệu quả và an toàn cho các công trình tương tự trong tương lai.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình Hardening Soil trong thiết kế: Khuyến nghị sử dụng mô hình Hardening Soil trong phần mềm Plaxis 2D để mô phỏng ứng xử đất nền và tường vây, nhằm nâng cao độ chính xác trong dự báo chuyển vị và hệ số an toàn. Thời gian áp dụng: ngay trong các dự án thiết kế sắp tới. Chủ thể thực hiện: các kỹ sư thiết kế và tư vấn địa kỹ thuật.

  2. Lựa chọn chiều dài tường vây từ 24m đến 28m: Đề xuất chiều dài tường vây trong khoảng này để đảm bảo an toàn chống trượt, chống trồi đáy hố đào và giảm thiểu chuyển vị tường vây, đồng thời tối ưu chi phí thi công. Thời gian áp dụng: trong giai đoạn thiết kế công trình. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế.

  3. Tăng cường quan trắc chuyển vị trong thi công: Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị tường vây và biến dạng đất nền trong suốt quá trình thi công để kịp thời phát hiện và xử lý các hiện tượng bất thường. Thời gian áp dụng: trong suốt quá trình thi công. Chủ thể thực hiện: chủ đầu tư và đơn vị giám sát thi công.

  4. Đào tạo nâng cao năng lực kỹ thuật: Tổ chức các khóa đào tạo chuyên sâu về phương pháp phần tử hữu hạn và mô hình Hardening Soil cho kỹ sư thiết kế và thi công nhằm nâng cao năng lực ứng dụng công nghệ mới. Thời gian áp dụng: định kỳ hàng năm. Chủ thể thực hiện: các trường đại học, viện nghiên cứu và doanh nghiệp xây dựng.

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 ứng xử đất nền - tường vây, giúp kỹ sư lựa chọn mô hình tính toán phù hợp và tối ưu thiết kế hố đào sâu.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm: Thông tin về chuyển vị tường vây và hệ số an toàn hỗ trợ nhà thầu kiểm soát chất lượng thi công, đảm bảo an toàn công trình và giảm thiểu rủi ro trong quá trình thi công.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án: Số liệu quan trắc và phân tích ổn định giúp giám sát viên đánh giá tiến độ, chất lượng thi công và kịp thời đề xuất biện pháp xử lý khi phát hiện biến dạng bất thường.

  4. Nghiên cứu sinh và sinh viên ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp: Luận văn là tài liệu tham khảo quý giá về ứng dụng phần tử hữu hạn trong phân tích hố đào sâu, đồng thời cung cấp các ví dụ thực tế và phương pháp luận nghiên cứu khoa học.

Câu hỏi thường gặp

  1. Phương pháp phần tử hữu hạn có ưu điểm gì trong phân tích hố đào sâu?
    Phương pháp phần tử hữu hạn cho phép mô phỏng chính xác ứng xử phi tuyến và biến dạng phức tạp của đất nền và kết cấu tường vây theo thời gian thi công, giúp dự báo chuyển vị và áp lực đất một cách chi tiết hơn so với các phương pháp truyền thống.

  2. Tại sao cần so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực tế?
    So sánh giúp đánh giá độ tin cậy của mô hình tính toán, từ đó điều chỉnh thông số và phương pháp để đảm bảo kết quả thiết kế sát với thực tế, giảm thiểu rủi ro trong thi công.

  3. Chiều dài tường vây ảnh hưởng thế nào đến sự ổn định hố đào?
    Chiều dài tường vây càng lớn thì khả năng chống trượt và chống trồi đáy hố đào càng cao, đồng thời giảm chuyển vị tường vây. Tuy nhiên, chiều dài quá lớn sẽ làm tăng chi phí thi công, do đó cần lựa chọn chiều dài tối ưu.

  4. Mô hình Hardening Soil khác gì so với Mohr-Coulomb?
    Mô hình Hardening Soil mô phỏng được tính phi tuyến và biến dạng không hồi phục của đất, phù hợp với điều kiện địa chất phức tạp và tải trọng thay đổi, trong khi Mohr-Coulomb là mô hình đơn giản hơn, chỉ mô phỏng ứng xử đàn hồi - dẻo cơ bản.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chuyển vị tường vây trong quá trình thi công?
    Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị tường vây và biến dạng đất nền, kết hợp với biện pháp thi công phù hợp và điều chỉnh kịp thời khi phát hiện chuyển vị vượt giới hạn cho phép, giúp đảm bảo an toàn công trình.

Kết luận

  • Luận văn đã xác định được thông số độ cứng đất nền E50ref phù hợp cho mô hình phần tử hữu hạn Plaxis 2D, đặc biệt với mô hình Hardening Soil.
  • Hệ số an toàn tổng thể của hố đào sâu được đánh giá trong khoảng 1.3 - 1.6 với chiều dài tường vây từ 18m đến 30m, trong đó chiều dài 24m - 28m là tối ưu.
  • Kết quả mô phỏng chuyển vị tường vây tương đồng với số liệu thực tế, chứng minh độ tin cậy của phương pháp phân tích.
  • Phân tích ổn định đáy hố đào cho thấy không xảy ra hiện tượng phình trồi nguy hiểm khi áp dụng chiều dài tường vây phù hợp.
  • Đề xuất áp dụng mô hình Hardening Soil, tăng cường quan trắc và đào tạo kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả và an toàn thi công hố đào sâu tại khu vực nội thành TP. Hồ Chí Minh.

Tiếp theo, các kỹ sư và nhà quản lý dự án nên triển khai áp dụng các giải pháp đề xuất trong các dự án xây dựng hố đào sâu để đảm bảo an toàn và hiệu quả kinh tế. Để được hỗ trợ chi tiết hơn về phương pháp phân tích và ứng dụng phần mềm Plaxis, quý độc giả có thể liên hệ với các chuyên gia địa kỹ thuật hoặc các trung tâm đào tạo chuyên ngành xây dựng dân dụng và công nghiệp.