Tổng quan nghiên cứu

Việc thi công các công trình đào hố móng sâu tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh ngày càng trở nên phổ biến do nhu cầu phát triển hạ tầng và nhà cao tầng. Theo ước tính, các công trình đào hố móng sâu với chiều sâu từ 20 đến 30 mét đang được triển khai rộng rãi, đặc biệt tại khu vực trung tâm thành phố. Tuy nhiên, việc đảm bảo an toàn cho công trình lân cận và kiểm soát chuyển vị, ứng suất trong kết cấu giữ đất là một thách thức lớn. Luận văn tập trung phân tích ứng xử của kết cấu giữ đất dạng hố đào sâu sử dụng hệ giàn bê tông cốt thép kết hợp với ringbeam có lỗ tròn lớn, áp dụng phương pháp đào từ dưới lên (bottom-up) tại một dự án thực tế ở Quận 1, TP. Hồ Chí Minh với chiều sâu đào lên đến 26,65m.

Mục tiêu nghiên cứu là đánh giá chính xác lực nội bộ và chuyển vị của kết cấu giữ đất, từ đó đề xuất giải pháp thiết kế và thi công tối ưu nhằm giảm thiểu biến dạng và đảm bảo an toàn cho công trình lân cận. Phạm vi nghiên cứu bao gồm phân tích mô hình kết cấu ringbeam với các đường kính khác nhau (40m, 45m, 50m, 55m) và các mức độ cứng khác nhau của ringbeam (25%EA đến 100%EA), đồng thời so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế trong quá trình thi công.

Nghiên cứu có ý nghĩa quan trọng trong việc cung cấp cơ sở khoa học cho thiết kế kết cấu giữ đất phức tạp, góp phần nâng cao hiệu quả và độ an toàn trong thi công các công trình đào hố móng sâu tại các khu vực đô thị đông đúc, đồng thời giảm thiểu rủi ro ảnh hưởng đến các công trình lân cận.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính: lý thuyết phân tích ứng suất và biến dạng trong kết cấu giữ đất, và mô hình phần tử hữu hạn (FEM) để mô phỏng ứng xử của kết cấu và đất nền. Cụ thể:

  • Lý thuyết Mohr-Coulomb: được sử dụng để mô hình hóa đặc tính cơ học của đất nền, bao gồm các thông số như sức kháng cắt, mô đun đàn hồi và hệ số Poisson.
  • Mô hình Hardening Soil: mô hình đất nền phi tuyến, phản ánh chính xác hơn sự biến dạng và ứng suất trong đất dưới tải trọng thi công.
  • Mô hình kết cấu giàn bê tông cốt thép kết hợp ringbeam: phân tích ứng suất, lực nội bộ và chuyển vị trong kết cấu giữ đất.
  • Các khái niệm chính: chuyển vị ngang, ứng suất trong kết cấu, độ cứng ringbeam (EA), độ dày tường vây (DW600, DW800, DW1000, DW1200), phương pháp đào bottom-up.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm số liệu quan trắc thực tế từ dự án đào hố móng sâu 5 tầng tại Quận 1, TP. Hồ Chí Minh, với chiều sâu đào 20,75m so với nền móng và 26,65m so với mặt đất tự nhiên. Dữ liệu quan trắc gồm chuyển vị ngang, ứng suất trong tường vây và ringbeam qua các giai đoạn thi công.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Etabs 2021 để mô phỏng kết cấu ringbeam và giàn bê tông cốt thép, kết hợp với phần mềm Plaxis 2D và Plaxis 3D (phiên bản 2020) để mô phỏng ứng xử đất nền và tương tác kết cấu - đất. Cỡ mẫu mô hình được xây dựng dựa trên kích thước thực tế công trình, lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn nhằm đảm bảo độ chính xác cao trong dự báo ứng suất và chuyển vị.

Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 9/2021 đến tháng 12/2021, bao gồm thu thập dữ liệu, xây dựng mô hình, phân tích và so sánh kết quả mô phỏng với số liệu thực tế.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng của đường kính ringbeam đến chuyển vị tường vây: Kết quả phân tích cho thấy đường kính vòng mở của ringbeam (40m, 45m, 50m, 55m) có ảnh hưởng rất nhỏ đến chuyển vị ngang của tường vây. Chuyển vị thay đổi không đáng kể, dao động trong khoảng dưới 5% so với giá trị trung bình.

  2. Ảnh hưởng của độ cứng ringbeam (EA) đến chuyển vị tường vây: Khi độ cứng ringbeam giảm từ 100%EA xuống 25%EA, chuyển vị tường vây tăng lên đáng kể, khoảng 20-30%. Ngược lại, tăng độ cứng ringbeam giúp giảm chuyển vị tường vây, cải thiện độ ổn định kết cấu giữ đất.

  3. Ảnh hưởng độ dày tường vây (DW600 đến DW1200): Tăng độ dày tường vây làm giảm chuyển vị ngang của tường vây từ 10% đến 25%, thể hiện rõ vai trò quan trọng của tường vây trong việc kiểm soát biến dạng công trình.

  4. So sánh kết quả mô phỏng và số liệu quan trắc thực tế: Kết quả phân tích bằng Plaxis 2D, Plaxis 3D và Etabs tương đồng với số liệu quan trắc thực tế, sai số chuyển vị và ứng suất trong khoảng 5-10%, cho thấy mô hình phân tích có độ tin cậy cao.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc đường kính ringbeam ít ảnh hưởng đến chuyển vị tường vây là do cấu trúc ringbeam chủ yếu chịu lực truyền tải dọc theo chiều dài, trong khi chuyển vị chịu ảnh hưởng lớn bởi độ cứng và khả năng chịu lực của ringbeam. Độ cứng ringbeam (EA) càng lớn thì khả năng hạn chế chuyển vị càng hiệu quả, phù hợp với các nghiên cứu trước đây về kết cấu giữ đất.

Việc tăng độ dày tường vây làm tăng khả năng chịu lực và giảm biến dạng, đồng thời giảm áp lực lên ringbeam, góp phần nâng cao độ ổn định tổng thể. So sánh với các nghiên cứu tại các công trình đào hố móng sâu ở Thượng Hải và các đô thị lớn khác, kết quả nghiên cứu phù hợp với xu hướng ứng dụng kết cấu ringbeam kết hợp giàn bê tông cốt thép để kiểm soát biến dạng hiệu quả.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh chuyển vị tường vây theo các mức độ cứng ringbeam và độ dày tường vây, bảng tổng hợp sai số giữa mô hình và quan trắc thực tế, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của các giải pháp kết cấu.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường độ cứng ringbeam: Đề xuất sử dụng ringbeam với độ cứng tối thiểu 75%EA để giảm chuyển vị tường vây xuống dưới mức giới hạn an toàn trong vòng 6 tháng thi công. Chủ thể thực hiện: nhà thầu thi công và tư vấn thiết kế.

  2. Tối ưu độ dày tường vây: Khuyến nghị sử dụng tường vây có độ dày từ 800mm trở lên (DW800 trở lên) để đảm bảo khả năng chịu lực và giảm biến dạng trong suốt quá trình thi công. Thời gian áp dụng: từ giai đoạn thiết kế đến thi công. Chủ thể: đơn vị thiết kế và giám sát.

  3. Áp dụng mô hình phân tích phần tử hữu hạn kết hợp số liệu quan trắc thực tế: Khuyến khích sử dụng phần mềm Plaxis 2D, 3D và Etabs để mô phỏng và dự báo ứng xử kết cấu, đồng thời liên tục cập nhật số liệu quan trắc để điều chỉnh phương án thi công kịp thời. Chủ thể: tư vấn giám sát và nhà thầu thi công.

  4. Giám sát chặt chẽ chuyển vị và ứng suất trong quá trình thi công: Thiết lập hệ thống quan trắc tự động, theo dõi chuyển vị tường vây và ứng suất ringbeam hàng tuần để phát hiện sớm các dấu hiệu bất thường, đảm bảo an toàn công trình lân cận. Thời gian: suốt quá trình thi công. Chủ thể: chủ đầu tư và đơn vị giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Nghiên cứu cung cấp cơ sở khoa học và mô hình phân tích chi tiết giúp tối ưu thiết kế kết cấu giữ đất cho các công trình đào hố móng sâu.

  2. Nhà thầu thi công công trình ngầm: Áp dụng các giải pháp kết cấu ringbeam kết hợp giàn bê tông cốt thép để kiểm soát biến dạng, đảm bảo an toàn thi công và giảm thiểu rủi ro.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án: Sử dụng số liệu quan trắc và mô hình phân tích để theo dõi tiến độ, đánh giá an toàn và điều chỉnh phương án thi công phù hợp.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng, kỹ thuật công trình ngầm: Tài liệu tham khảo quan trọng về ứng dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn trong thiết kế và thi công công trình đào hố móng sâu.

Câu hỏi thường gặp

  1. Ringbeam là gì và vai trò trong công trình đào hố móng sâu?
    Ringbeam là kết cấu bê tông cốt thép dạng vòng có lỗ tròn lớn, dùng để liên kết và phân phối lực cho hệ thống tường vây giữ đất. Nó giúp giảm chuyển vị ngang và tăng độ ổn định cho công trình đào hố móng sâu.

  2. Tại sao phải kết hợp giàn bê tông cốt thép với ringbeam?
    Sự kết hợp này tạo ra hệ kết cấu giữ đất có độ cứng cao, phân phối lực hiệu quả, giảm ứng suất tập trung và kiểm soát biến dạng tốt hơn so với sử dụng riêng lẻ từng kết cấu.

  3. Phần mềm Plaxis 2D và 3D có điểm khác biệt gì trong phân tích?
    Plaxis 2D mô phỏng mặt cắt ngang, phù hợp với các bài toán đơn giản, trong khi Plaxis 3D mô phỏng toàn bộ không gian, cho kết quả chính xác hơn khi xét đến ảnh hưởng không gian và tương tác phức tạp.

  4. Độ dày tường vây ảnh hưởng thế nào đến an toàn công trình?
    Độ dày tường vây càng lớn thì khả năng chịu lực và hạn chế chuyển vị càng tốt, giúp bảo vệ công trình lân cận khỏi các biến dạng gây hư hại trong quá trình thi công.

  5. Làm thế nào để kiểm soát chuyển vị trong quá trình thi công?
    Thiết lập hệ thống quan trắc chuyển vị và ứng suất tự động, kết hợp mô hình phân tích phần tử hữu hạn để dự báo và điều chỉnh phương án thi công kịp thời, đảm bảo chuyển vị nằm trong giới hạn cho phép.

Kết luận

  • Luận văn đã phân tích thành công ứng xử của kết cấu giữ đất dạng giàn bê tông cốt thép kết hợp ringbeam có lỗ tròn lớn trong công trình đào hố móng sâu tại TP. Hồ Chí Minh.
  • Kết quả mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D, 3D và Etabs phù hợp với số liệu quan trắc thực tế, chứng minh độ tin cậy của mô hình phân tích.
  • Đường kính ringbeam ít ảnh hưởng đến chuyển vị tường vây, trong khi độ cứng ringbeam và độ dày tường vây có ảnh hưởng lớn đến biến dạng kết cấu.
  • Đề xuất các giải pháp thiết kế và thi công nhằm tối ưu độ cứng ringbeam, tăng độ dày tường vây và giám sát chặt chẽ chuyển vị trong quá trình thi công.
  • Khuyến nghị tiếp tục nghiên cứu mở rộng mô hình phân tích và áp dụng cho các công trình đào hố móng sâu khác, đồng thời phát triển hệ thống quan trắc tự động để nâng cao hiệu quả quản lý thi công.

Hành động tiếp theo: Áp dụng các kết quả nghiên cứu vào thiết kế và thi công thực tế, đồng thời triển khai hệ thống quan trắc để đảm bảo an toàn công trình. Đề nghị các đơn vị liên quan phối hợp chặt chẽ trong việc cập nhật và điều chỉnh phương án thi công dựa trên số liệu quan trắc thực tế.