Tổng quan nghiên cứu

Quá trình đô thị hóa nhanh chóng tại các đô thị lớn như Thành phố Hồ Chí Minh dẫn đến sự gia tăng mạnh mẽ của các công trình ngầm, đặc biệt là tầng hầm sâu từ 2 đến 4 tầng với chiều sâu đào từ 6m đến trên 12m. Tại các khu vực có địa chất phức tạp và nền đất yếu dày như Quận 2 và Quận 7, thi công hố đào sâu là bài toán kỹ thuật chứa đựng nhiều rủi ro sạt trượt, bùng nền và chuyển vị vách hố đào. Khi sử dụng tường vây cừ ván thép Larsen truyền thống, độ cứng chống uốn tương đối thấp thường khiến chuyển vị ngang của tường vượt quá giới hạn an toàn, có thể lên tới hơn 60mm và đe dọa các công trình lân cận. Trong khi đó, giải pháp tường bêtông cốt thép Barrette lại đòi hỏi chi phí đầu tư cao gấp 2 đến 3 lần và thiết bị thi công chuyên dụng cồng kềnh.

Đề tài nghiên cứu tập trung giải quyết bài toán nâng cao tính ổn định của tường vây cừ Larsen thông qua giải pháp gia cố kết hợp bằng cọc xi măng đất Deep Mixing. Mục tiêu cụ thể là xác định quy luật biến dạng, phân tích cơ chế tương tác đất - cọc - tường vây và lựa chọn cấu hình bố trí tối ưu về vị trí vùng gia cố, khoảng cách cọc, số hàng cọc cũng như chiều sâu cắm cọc. Nghiên cứu được thực hiện dựa trên dữ liệu địa chất và hồ sơ quan trắc thực tế của công trình tầng hầm tại Quận 7, Thành phố Hồ Chí Minh trong giai đoạn 2019 - 2020.

Kết quả phân tích cho thấy giải pháp bố trí cọc xi măng đất hợp lý giúp giảm từ 30% đến trên 53% chuyển vị ngang của tường vây cừ thép. Nghiên cứu mang lại giá trị thực tiễn cao khi vừa bảo đảm hệ số an toàn hố đào đạt trên 1.4 theo tiêu chuẩn kỹ thuật, vừa tối ưu hóa từ 20% đến 35% chi phí thi công kết cấu chắn giữ tạm thời cho các dự án xây dựng đô thị.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Nghiên cứu được xây dựng dựa trên nền tảng lý thuyết áp lực đất chủ động - bị động kinh điển của Rankine và Coulomb, kết hợp với lý thuyết ổn định chống trồi đáy hố đào trong đất sét yếu của Terzaghi (1943) và Bjerrum - Eide (1956). Theo đó, hệ số an toàn chống trồi đáy được xác định dựa trên sức chịu tải không thoát nước của đất sét với hệ số sức chịu tải Nc dao động từ 5.14 đối với hố đào dài vô hạn đến 9.0 đối với hố đào hình vuông. Khi đào đất, quá trình dỡ tải làm thay đổi trạng thái ứng suất - biến dạng, giải phóng ứng suất đứng và gia tăng áp lực ngang gây mất ổn định thành hố.

Về mặt công nghệ xử lý đất, nghiên cứu áp dụng nguyên lý tương tác hóa - lý của công nghệ trộn sâu cọc xi măng đất Cement Deep Mixing và Jet Grouting. Khi xi măng được phân tán vào đất sét với hàm lượng thích hợp, các phản ứng thủy hóa và phản ứng pozzolanic diễn ra giúp hình thành cấu trúc liên kết nhân tạo vững chắc, nâng cao cường độ chịu nén một trục qu đạt từ 1.5 MPa đến 3.5 MPa và tăng mạnh lực dính cũng như góc ma sát trong. Nghiên cứu vận dụng hai mô hình tính toán số chủ đạo: mô hình vật liệu riêng biệt RAS (Real Allocation Simulation) mô phỏng chính xác từng cọc đơn lẻ và mô hình nền tương đương EMS (Equivalent Material Simulation) quy đổi các chỉ tiêu cơ lý của khối đất - cọc thành môi trường đồng nhất tương đương nhằm tối ưu hóa thời gian tính toán.

Phương pháp nghiên cứu

Nghiên cứu sử dụng nguồn dữ liệu địa kỹ thuật thực tế từ công trình xây dựng tầng hầm tại Quận 7, Thành phố Hồ Chí Minh. Dữ liệu bao gồm kết quả khảo sát địa chất từ 4 hố khoan tiêu chuẩn sâu 35m đến 40m, các thí nghiệm nén ba trục, cắt cánh hiện trường và chuỗi số liệu quan trắc chuyển vị ngang từ 4 ống đo nghiêng Inclinometer qua 9 bước thi công đào đất xuống cao độ đáy -9.90m.

Cỡ mẫu nghiên cứu bao gồm toàn bộ dữ liệu địa tầng đại diện cho khu vực đất yếu Nam Sài Gòn, trong đó vị trí đo nghiêng I3 chịu điều kiện làm việc bất lợi nhất được chọn làm mẫu kiểm chứng trọng tâm. Phương pháp chọn mẫu có chủ đích được áp dụng nhằm đánh giá chuẩn xác vị trí có chuyển vị lớn nhất của hệ tường chắn.

Lý do lựa chọn phương pháp phân tích phần tử hữu hạn 2D trên phần mềm Plaxis chuyên ngành Địa kỹ thuật là vì phần mềm cho phép tích hợp mô hình đàn dẻo phi tuyến Hardening Soil Model. Mô hình này mô phỏng chân thực đường dẫn ứng suất dỡ tải và tải lại của đất sét yếu, điều mà các phương pháp giải tích truyền thống dầm trên nền đàn hồi Winkler không thể thể hiện đầy đủ. Toàn bộ tiến trình tính toán và hiệu chỉnh mô hình số được thực hiện chi tiết theo từng bước đào thực tế từ tháng 8 năm 2019 đến tháng 12 năm 2019.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

Thứ nhất, kết quả so sánh giữa phương pháp mô phỏng vật liệu riêng biệt RAS và phương pháp nền tương đương EMS cho thấy mức độ tương đồng rất cao. Tại bước đào sâu nhất ở cao độ -9.90m, chuyển vị ngang lớn nhất của tường vây theo phương pháp RAS đạt 50.2 mm và phương pháp EMS đạt 47.8 mm, độ sai lệch chỉ khoảng 4.8%. Điều này chứng minh phương pháp nền tương đương EMS hoàn toàn khả thi và đủ độ tin cậy để áp dụng vào tính toán thiết kế kỹ thuật thực hành.

Thứ hai, chiều sâu cắm cọc xi măng đất đóng vai trò quyết định đến hiệu quả hạn chế biến dạng của tường vây cừ Larsen. Khi bố trí cọc có chiều dài không vượt qua cao độ chân tường cừ (dừng ở cao độ -18.0m), hiệu quả giảm chuyển vị ngang chỉ đạt khoảng 11.6%. Ngược lại, khi kéo dài cọc cắm sâu vượt qua chân tường cừ từ 3m đến 5m (xuống cao độ -23.0m), chuyển vị ngang lớn nhất giảm mạnh từ 48.2 mm xuống còn 22.5 mm, tương ứng với hiệu quả giảm chuyển vị đạt 53.3%.

Thứ ba, khoảng cách cọc và số hàng cọc ảnh hưởng trực tiếp đến độ cứng khối gia cố. Khi thu hẹp khoảng cách cọc từ 1.5m xuống 1.0m (tương ứng gia tăng hệ số thay thế diện tích đất gia cố từ 25% lên hơn 45%), kết hợp bố trí 5 hàng cọc ở vùng bị động, chuyển vị ngang cực đại của tường vây giảm hơn 50% so với trường hợp chưa xử lý.

Thứ tư, vị trí bố trí cọc xi măng đất ở khu vực bị động (bên trong đáy hố đào) đem lại hiệu quả ngăn chặn chuyển vị xoay chân tường và chống trồi đáy cao hơn 25% so với việc chỉ gia cố tại khu vực chủ động (sau lưng tường vây).

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân cốt lõi giúp hệ gia cố cọc xi măng đất phát huy hiệu quả vượt trội là do việc cắm sâu cọc qua mũi tường cừ tạo thành một khối ngàm nhân tạo có độ cứng lớn, chuyển đổi sơ đồ làm việc của tường từ dạng consol xoay tự do chân tường sang dạng ngàm đàn hồi cố định. Khối đất gia cố ở vùng bị động đóng vai trò như một thanh chống ngầm dưới đáy hố đào, triệt tiêu áp lực chủ động truyền từ lưng tường và triệt tiêu biến dạng dẻo trồi đáy.

Kết quả này hoàn toàn nhất quán với các công trình nghiên cứu quốc tế của Chang-Yu Ou (2006, 2007) và Clough & O'Rourke (1990) về mối tương quan giữa độ cứng hệ chống đỡ đáy hố móng với biến dạng tường vây trong đất sét mềm.

Để trực quan hóa toàn bộ dữ liệu phân tích, các kết quả mô phỏng có thể được thể hiện qua biểu đồ đường cong biến dạng phân bố theo chiều sâu từ mặt đất tự nhiên 0.0m xuống -25.0m. Trên biểu đồ, đường phân bố chuyển vị ngang của phương án gia cố 5 hàng cọc với khoảng cách 1.0m có dạng uốn cong thoải đều với giá trị đỉnh dịch chuyển lên sát cao độ thanh chống, khác biệt rõ rệt so với dạng phình bụng lớn ở phần dưới đáy hố đào của phương án không gia cố. Ngoài ra, bảng tổng hợp ứng suất cắt tiếp tương đối cho thấy mức độ giảm ứng suất vượt ngưỡng phá hoại dẻo trong nền đất lên tới 42%, khẳng định hố đào luôn nằm trong trạng thái an toàn đàn hồi.

Đề xuất và khuyến nghị

Thứ nhất, kiến nghị các kỹ sư thiết kế ưu tiên lựa chọn giải pháp kéo dài cọc xi măng đất vượt qua cao độ chân tường vây cừ thép tối thiểu từ 3.0m đến 5.0m. Giải pháp này nhằm mục tiêu khống chế chuyển vị ngang cực đại của tường cừ dưới ngưỡng 30mm, đồng thời ngăn chặn hoàn toàn nguy cơ mất ổn định chân tường trong quá trình đào đất tầng hầm sâu.

Thứ hai, thiết lập cấu hình bố trí cọc tại khu vực bị động bên trong hố đào theo dạng lưới chữ nhật hoặc khối cát tuyến với cự ly tim cọc từ 1.0m đến 1.2m, tương ứng 3 đến 5 hàng cọc liên tục dọc theo chu vi vách đào. Biện pháp này hướng tới việc nâng cao hệ số an toàn chống trồi đáy Fs đạt trên 1.5 trong suốt tiến trình thi công 60 ngày của giai đoạn đào mở rộng.

Thứ ba, các đơn vị thi công cần kiểm soát nghiêm ngặt các thông số kỹ thuật khoan trộn sâu, bao gồm tốc độ rút cần khoan duy trì trong khoảng 0.8m đến 1.2m mỗi phút, áp lực phun vữa từ 200 atm đến 400 atm và tỷ lệ xi măng phối trộn phù hợp để đảm bảo cường độ nén 28 ngày của khối xi măng đất đạt tối thiểu 2.0 MPa.

Thứ tư, chủ đầu tư và ban quản lý dự án cần áp dụng quy trình quan trắc chuyển vị tự động bằng ống đo nghiêng Inclinometer với tần suất đo 2 ngày một lần trong các giai đoạn đào sâu dưới -5.0m. Dữ liệu đo đạc thực tế phải được cập nhật liên tục vào mô hình số Plaxis 2D để kịp thời điều chỉnh trình tự hạ thanh chống và đào đất, đảm bảo an toàn tuyệt đối cho các công trình lân cận.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

Thứ nhất, kỹ sư thiết kế địa kỹ thuật và công trình ngầm: Luận văn cung cấp phương pháp luận chi tiết và thông số quy đổi vật liệu tương đương EMS chuẩn xác, giúp kỹ sư dễ dàng tính toán, mô phỏng và lựa chọn cấu hình tường cừ kết hợp cọc xi măng đất cho các hố đào sâu từ 8m đến 15m trong đô thị.

Thứ hai, nhà thầu thi công nền móng và tầng hầm: Cung cấp tài liệu tham khảo thực tiễn về quy trình thi công cọc trộn sâu, các giải pháp khắc phục sự cố chuyển vị thành hố đào và quy trình kiểm soát chất lượng vật liệu xi măng đất ngoài hiện trường.

Thứ ba, chủ đầu tư và các ban quản lý dự án xây dựng: Giúp nhà quản lý nắm bắt giải pháp kỹ thuật tối ưu hóa chi phí, giảm từ 20% đến 35% ngân sách xây dựng tường chắn so với phương án cọc khoan nhồi hoặc tường Barrette mà vẫn bảo đảm tiến độ và an toàn công trình.

Thứ tư, giảng viên, nghiên cứu viên và học viên cao học chuyên ngành Kỹ thuật Xây dựng - Địa kỹ thuật: Là tài liệu học thuật giá trị phục vụ công tác giảng dạy, nghiên cứu chuyên sâu về mô hình phần tử hữu hạn phi tuyến và phân tích tương tác đất - kết cấu chống giữ hố đào sâu.

Câu hỏi thường gặp

Cọc xi măng đất giúp giảm chuyển vị tường vây hố đào sâu theo cơ chế nào? Cọc xi măng đất liên kết với đất nền tạo thành một khối composite có cường độ chịu cắt cao và mô đun biến dạng lớn. Khi bố trí ở vùng bị động, khối cọc đóng vai trò như một hệ thanh chống ngầm cản trở sự dịch chuyển vào trong hố đào của chân tường cừ, đồng thời triệt tiêu ứng suất cắt gây trồi đáy và giảm hơn 50% chuyển vị ngang.

Tại sao chiều dài cọc vượt qua chân tường cừ lại mang tính quyết định đến độ ổn định? Khi cọc chỉ dừng trên chân tường cừ, vùng đất yếu dưới mũi cừ vẫn bị biến dạng dẻo và gây ra hiện tượng xoay quanh chân tường. Việc kéo dài cọc vượt qua chân cừ từ 3m đến 5m sẽ tạo ngàm giữ chân cọc vào tầng đất tốt hơn, ngăn chuyển động xoay và phân phối lại mô men uốn trên thân tường cừ hiệu quả.

Phương pháp quy đổi nền tương đương EMS có thực sự đáng tin cậy trong thiết kế không? Phương pháp EMS hoàn toàn đáng tin cậy khi kết quả kiểm chứng trên phần mềm Plaxis 2D cho thấy độ sai lệch chuyển vị lớn nhất so với mô hình vật liệu riêng biệt RAS chỉ dưới 4.8%. Phương pháp này giúp đơn giản hóa việc lập lưới phần tử hữu hạn và tiết kiệm thời gian phân tích trong các dự án quy mô lớn.

Khoảng cách bố trí cọc xi măng đất bao nhiêu là tối ưu về mặt kinh tế và kỹ thuật? Khoảng cách cọc tối ưu là cự ly d1 bằng 1.0m đến 1.2m cho đường kính cọc 0.6m đến 0.8m. Khoảng cách này đảm bảo tỷ lệ gia cố diện tích đạt từ 35% đến 45%, giúp giảm hơn một nửa chuyển vị ngang so với nền tự nhiên mà không gây lãng phí khối lượng vật liệu xi măng thi công.

Khi nào nên chọn giải pháp cừ Larsen kết hợp xi măng đất thay vì tường bê tông Barrette? Giải pháp cừ Larsen kết hợp cọc xi măng đất nên được lựa chọn cho các hố đào sâu từ 6m đến 12m nằm trong khu vực đất sét yếu có mực nước ngầm cao. Phương án này phù hợp với các công trình có mặt bằng thi công hạn chế và yêu cầu tiết kiệm từ 20% đến 35% chi phí kết cấu chắn giữ tạm.

Kết luận

  • Luận văn đã giải quyết thành công bài toán tối ưu hóa bố trí cọc xi măng đất nhằm nâng cao tính ổn định cho hệ tường vây cừ Larsen thi công hố đào sâu trong điều kiện đất yếu tại Thành phố Hồ Chí Minh.
  • Nghiên cứu chứng minh việc kéo dài cọc xi măng đất vượt qua chân tường cừ từ 3m đến 5m giúp giảm tới 53.3% chuyển vị ngang của tường vây, chuyển đổi căn bản cơ chế làm việc của kết cấu sang dạng ngàm cố định.
  • Khẳng định độ chính xác và tính tiện dụng của phương pháp mô phỏng nền tương đương EMS với sai số dưới 5% so với phương pháp vật liệu riêng biệt RAS.
  • Đề xuất cấu hình bố trí tối ưu gồm 3 đến 5 hàng cọc với cự ly 1.0m tại vùng bị động, mang lại hiệu quả vượt trội trong việc kiểm soát biến dạng và ngăn ngừa trồi đáy hố đào.
  • Mở ra giải pháp kết cấu chắn giữ vừa an toàn kỹ thuật vừa tiết kiệm từ 20% đến 35% chi phí đầu tư so với tường vây bê tông Barrette truyền thống.

Kế hoạch tiếp theo trong 6 đến 12 tháng tới bao gồm việc mở rộng nghiên cứu sang mô hình không gian 3D và đánh giá ảnh hưởng của các dạng bố trí toàn khối đến độ lún công trình lân cận. Các kỹ sư và nhà quản lý dự án quan tâm đến giải pháp tối ưu hóa hố đào sâu có thể ứng dụng trực tiếp quy trình tính toán và bố trí này vào các dự án hạ tầng ngầm đô thị ngay hôm nay.