Tổng quan nghiên cứu

Nền địa chất tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh thường có đặc điểm phức tạp với các lớp cát dày xen kẽ lớp đất sét, gây khó khăn trong việc thiết kế và thi công móng công trình cao tầng. Theo ước tính, các công trình cao tầng tại TP.HCM có chiều cao từ 30 đến 461 mét, với các móng bè-cọc kết hợp tường vây được ứng dụng phổ biến nhằm đảm bảo ổn định công trình và hạn chế lún nền. Vấn đề nghiên cứu tập trung vào hành vi của tường vây dạng diaphragm wall và hệ móng bè-cọc trên nền đất cát dày, nhằm phân tích sự tương tác giữa tường vây và móng bè trong quá trình thi công và khai thác.

Mục tiêu cụ thể của luận văn là đánh giá chính xác sự dịch chuyển ngang của tường vây, lún nền và ảnh hưởng đến các công trình lân cận, từ đó đề xuất các giải pháp thiết kế tối ưu cho hệ móng bè-cọc kết hợp diaphragm wall. Nghiên cứu sử dụng dữ liệu thực tế từ các công trình tại TP.HCM trong giai đoạn 2019-2021, kết hợp mô phỏng bằng phần mềm Plaxis 2D và 3D với các mô hình đất Mohr-Coulomb và Hardening-Soil. Ý nghĩa của nghiên cứu được thể hiện qua việc giảm thiểu số lượng cọc không cần thiết, tiết kiệm chi phí và nâng cao độ an toàn cho công trình.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn áp dụng hai mô hình cơ học đất chính: mô hình Mohr-Coulomb (MC) và mô hình Hardening-Soil (HS). Mô hình MC được sử dụng phổ biến trong phân tích ổn định đất với giả thiết đất đàn hồi dẻo, trong khi mô hình HS mô phỏng chính xác hơn tính phi tuyến và sự cứng dần của đất theo biến dạng. Ngoài ra, các khái niệm chính bao gồm:

  • Diaphragm wall (tường vây): cấu kiện chịu lực chính trong việc giữ ổn định thành hố đào, chịu tải ngang và tải trọng đất.
  • Móng bè-cọc (piled raft foundation): hệ móng kết hợp giữa móng bè và cọc khoan nhồi, phân phối tải trọng hiệu quả xuống các lớp đất sâu.
  • Độ cứng đất (soil stiffness): liên quan đến giá trị N(SPT) và cường độ cắt không thoát nước Su, ảnh hưởng đến khả năng chịu tải và biến dạng của móng.
  • Tương tác móng-tường vây: sự phối hợp chịu lực giữa móng bè, cọc và tường vây trong quá trình thi công và khai thác.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính bao gồm kết quả khảo sát địa chất, quan trắc thực tế dịch chuyển ngang tường vây, lún nền và ảnh hưởng đến công trình lân cận tại các dự án cao tầng ở TP.HCM. Cỡ mẫu khảo sát khoảng 10-15 công trình với chiều sâu tường vây từ 15 đến 38 mét, chiều cao công trình từ 30 đến 461 mét.

Phương pháp phân tích sử dụng phần mềm Plaxis 2D và 3D phiên bản v20, mô phỏng quá trình đào hố, tương tác móng bè-cọc và tường vây. Phân tích so sánh giữa mô hình MC và HS nhằm đánh giá độ chính xác và an toàn trong thiết kế. Thời gian nghiên cứu kéo dài từ năm 2019 đến 2021, bao gồm giai đoạn thu thập dữ liệu, mô phỏng và phân tích kết quả.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Ảnh hưởng chiều sâu tường vây đến dịch chuyển ngang: Khi chiều sâu tường vây Hp lớn hơn 1.1 lần chiều cao áp lực nước Hw, sự dịch chuyển ngang của tường vây giảm đáng kể, đảm bảo ổn định đáy hố đào. Ví dụ, tường vây sâu 34m giảm dịch chuyển ngang trung bình 15% so với tường vây sâu 26m.

  2. So sánh mô hình MC và HS: Mô hình MC cho kết quả dịch chuyển và ứng suất lớn hơn khoảng 10-15% so với mô hình HS, cho thấy mô hình HS phù hợp hơn với điều kiện đất cát dày có tính phi tuyến. Mô hình HS cũng phản ánh chính xác hơn sự cứng dần của đất theo biến dạng.

  3. Tương tác móng bè-cọc và tường vây: Khi tường vây được đóng sâu vào lớp đất tốt, hệ móng bè-cọc-tường vây làm việc phối hợp hiệu quả, giảm tải trọng lên cọc khoảng 20-25% so với móng bè-cọc không tính đến tường vây. Điều này giúp giảm số lượng cọc cần thiết, tiết kiệm chi phí.

  4. Ảnh hưởng đến công trình lân cận: Lún nền và dịch chuyển ngang tường vây được kiểm soát trong giới hạn cho phép, với lún nền công trình lân cận dưới 10mm, đảm bảo an toàn kết cấu và hạn chế ảnh hưởng đến hoạt động xây dựng.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của các phát hiện trên là do sự phối hợp chịu lực giữa tường vây và móng bè-cọc, trong đó tường vây đóng vai trò giữ ổn định thành hố và giảm áp lực đất lên móng. So với các nghiên cứu trước đây, kết quả phù hợp với báo cáo ngành xây dựng về việc sử dụng mô hình HS cho nền đất cát dày và mô hình phối hợp móng bè-cọc-tường vây giúp tối ưu thiết kế.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh dịch chuyển ngang tường vây theo chiều sâu Hp/Hw, bảng so sánh kết quả mô hình MC và HS, cũng như biểu đồ phân phối tải trọng lên cọc trong hệ móng phối hợp. Ý nghĩa của nghiên cứu là giúp kỹ sư xây dựng lựa chọn mô hình phân tích phù hợp, thiết kế móng hiệu quả, giảm chi phí và tăng độ an toàn công trình.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Áp dụng mô hình Hardening-Soil trong phân tích nền đất cát dày: Động từ hành động là "sử dụng", mục tiêu là nâng cao độ chính xác phân tích dịch chuyển và ứng suất, thời gian áp dụng ngay trong giai đoạn thiết kế, chủ thể thực hiện là kỹ sư thiết kế kết cấu.

  2. Thiết kế chiều sâu tường vây Hp ≥ 1.1Hw: Động từ hành động là "định hướng", mục tiêu giảm dịch chuyển ngang tường vây ít nhất 15%, áp dụng trong thiết kế thi công hố đào, chủ thể là nhà thầu thi công và tư vấn giám sát.

  3. Phối hợp tính toán móng bè-cọc và tường vây: Động từ hành động là "kết hợp", mục tiêu giảm tải trọng lên cọc 20-25%, áp dụng trong thiết kế móng, chủ thể là kỹ sư thiết kế và tư vấn giám sát.

  4. Tăng cường quan trắc dịch chuyển và lún nền trong thi công: Động từ hành động là "triển khai", mục tiêu kiểm soát lún nền dưới 10mm, áp dụng trong suốt quá trình thi công, chủ thể là nhà thầu thi công và đơn vị giám sát.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế kết cấu và địa kỹ thuật: Nắm bắt phương pháp phân tích mô hình MC và HS, áp dụng mô hình phù hợp cho nền đất cát dày, tối ưu thiết kế móng bè-cọc và tường vây.

  2. Nhà thầu thi công công trình cao tầng: Hiểu rõ yêu cầu chiều sâu tường vây, quy trình thi công hố đào an toàn, kiểm soát dịch chuyển và lún nền trong thực tế.

  3. Chuyên gia giám sát và quản lý dự án: Theo dõi và đánh giá hiệu quả thi công móng bè-cọc-tường vây, đảm bảo an toàn công trình và công trình lân cận.

  4. Nhà nghiên cứu và sinh viên ngành xây dựng: Tham khảo các mô hình phân tích hiện đại, phương pháp mô phỏng bằng Plaxis 2D và 3D, cũng như các kết quả thực nghiệm từ công trình thực tế.

Câu hỏi thường gặp

  1. Tại sao nên sử dụng mô hình Hardening-Soil thay vì Mohr-Coulomb?
    Mô hình Hardening-Soil mô phỏng chính xác tính phi tuyến và sự cứng dần của đất theo biến dạng, giúp dự báo dịch chuyển và ứng suất thực tế hơn, giảm sai số khoảng 10-15% so với mô hình Mohr-Coulomb.

  2. Chiều sâu tường vây ảnh hưởng thế nào đến ổn định hố đào?
    Khi chiều sâu tường vây Hp ≥ 1.1Hw, tường vây có khả năng giữ ổn định đáy hố đào tốt hơn, giảm dịch chuyển ngang trung bình 15%, đảm bảo an toàn thi công.

  3. Làm thế nào để giảm số lượng cọc trong hệ móng bè-cọc?
    Phối hợp tính toán móng bè-cọc với tường vây giúp phân phối tải trọng hiệu quả, giảm tải lên cọc khoảng 20-25%, từ đó giảm số lượng cọc cần thiết mà vẫn đảm bảo an toàn.

  4. Ảnh hưởng của móng bè-cọc-tường vây đến công trình lân cận ra sao?
    Nghiên cứu cho thấy lún nền công trình lân cận được kiểm soát dưới 10mm, dịch chuyển ngang tường vây trong giới hạn cho phép, hạn chế ảnh hưởng tiêu cực đến các công trình xung quanh.

  5. Khi nào nên sử dụng mô hình phân tích 3D thay vì 2D?
    Mô hình 3D cần thiết khi tường vây có hình dạng phức tạp hoặc không đều, giúp phân tích chính xác hiệu ứng mép và tương tác móng-tường vây, trong khi mô hình 2D phù hợp với các trường hợp đơn giản hơn.

Kết luận

  • Nghiên cứu khẳng định mô hình Hardening-Soil phù hợp hơn mô hình Mohr-Coulomb trong phân tích nền đất cát dày tại TP.HCM.
  • Chiều sâu tường vây Hp ≥ 1.1Hw là điều kiện cần thiết để đảm bảo ổn định đáy hố đào và giảm dịch chuyển ngang.
  • Hệ móng bè-cọc phối hợp với tường vây giúp giảm tải trọng lên cọc 20-25%, tiết kiệm chi phí và nâng cao hiệu quả thiết kế.
  • Lún nền và dịch chuyển tường vây được kiểm soát tốt, đảm bảo an toàn cho công trình và các công trình lân cận.
  • Đề xuất áp dụng mô hình phân tích phù hợp và tăng cường quan trắc trong thi công để nâng cao độ an toàn và hiệu quả kinh tế.

Tiếp theo, các kỹ sư và nhà quản lý dự án nên triển khai áp dụng các giải pháp thiết kế và thi công được đề xuất, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng cho các điều kiện nền đất phức tạp hơn. Để biết thêm chi tiết và ứng dụng thực tế, quý độc giả vui lòng liên hệ với tác giả hoặc đơn vị nghiên cứu.

Luận văn này cung cấp cơ sở khoa học và thực tiễn quan trọng cho việc thiết kế và thi công móng bè-cọc kết hợp diaphragm wall trên nền đất cát dày, góp phần nâng cao chất lượng và hiệu quả các công trình cao tầng tại Việt Nam.