Tổng quan nghiên cứu

Trong bối cảnh phát triển đô thị nhanh chóng tại các thành phố lớn như TP. Hồ Chí Minh, nhu cầu xây dựng các công trình cao tầng và khai thác không gian ngầm ngày càng gia tăng. Theo ước tính, các công trình có độ sâu đào lên đến 13.7m với nhiều tầng hầm đã trở nên phổ biến. Tuy nhiên, quá trình thi công hồ đào sâu thường gây ra chuyển vị ngang vượt giới hạn cho phép và lún mặt đất, dẫn đến nguy cơ thiệt hại cho các công trình lân cận. Vấn đề này đặt ra yêu cầu cấp thiết về việc giảm thiểu chuyển vị ngang của tường vây nhằm đảm bảo an toàn và ổn định cho công trình.

Mục tiêu nghiên cứu của luận văn là ứng dụng công nghệ phun vữa cao áp Jet Grouting để gia cố đất dưới đáy hồ đào, từ đó giảm chuyển vị ngang của tường vây trong điều kiện địa chất Việt Nam. Phạm vi nghiên cứu tập trung vào công trình tại quận 3, TP. Hồ Chí Minh, với công trình cao 28 tầng và 3 tầng hầm, sử dụng tường vây có chiều dày 0.5m. Nghiên cứu sử dụng phương pháp phân tích số với mô hình Mohr-Coulomb và Hardening Soil, so sánh kết quả mô phỏng với số liệu quan trắc thực tế để đánh giá hiệu quả của giải pháp.

Ý nghĩa nghiên cứu thể hiện qua việc cung cấp cơ sở khoa học và kỹ thuật cho việc áp dụng Jet Grouting trong xử lý nền đất yếu, góp phần nâng cao chất lượng thi công, giảm thiểu rủi ro chuyển vị tường vây, đồng thời tiết kiệm chi phí và thời gian thi công cho các công trình ngầm sâu tại Việt Nam.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp nghiên cứu

Khung lý thuyết áp dụng

Luận văn dựa trên hai lý thuyết chính để phân tích chuyển vị tường vây và áp lực đất:

  1. Lý thuyết Mohr-Coulomb: Mô hình này xem đất như vật liệu đàn hồi dẻo lý tưởng, phân tích ứng suất và biến dạng dựa trên giới hạn cắt của đất. Áp lực đất chủ động và bị động được xác định theo công thức truyền thống, phù hợp với các loại đất rời và đất dính. Mô hình này đơn giản, dễ áp dụng nhưng không xét đến sự phụ thuộc của độ cứng đất vào ứng suất và không phân biệt rõ trạng thái tải hay dỡ tải.

  2. Mô hình Hardening Soil: Đây là mô hình đàn hồi dẻo với quy luật hyperbol, mô phỏng chính xác hơn ứng xử của đất, bao gồm cả hiện tượng giãn nở và sự phụ thuộc của độ cứng vào ứng suất. Mô hình này phù hợp với các loại đất cát chặt và sét quá cô kết, cho kết quả sát thực tế hơn trong các bài toán phức tạp như hồ đào sâu.

Các khái niệm chính bao gồm: áp lực đất chủ động và bị động, mô đun biến dạng E, hệ số Poisson, lực dính c, góc ma sát trong, và các thông số đặc trưng của trụ xi măng đất như cường độ nén đơn trục, hệ số thấm, và hệ số Poisson.

Phương pháp nghiên cứu

Nguồn dữ liệu chính được thu thập từ công trình thực tế tại quận 3, TP. Hồ Chí Minh, bao gồm số liệu quan trắc chuyển vị tường vây trong quá trình thi công hồ đào sâu. Phương pháp nghiên cứu sử dụng phần mềm phân tích phần tử hữu hạn Plaxis 2D để mô phỏng quá trình thi công và chuyển vị tường vây, áp dụng hai mô hình đất Mohr-Coulomb và Hardening Soil.

Cỡ mẫu nghiên cứu là toàn bộ khu vực hồ đào với chiều sâu 13.7m, tường vây dày 0.5m, và các trụ xi măng đất được bố trí với tỷ lệ cải thiện mặt đất từ 5% đến 20%. Phương pháp chọn mẫu là mô phỏng số dựa trên các thông số địa chất và thiết kế thi công thực tế. Timeline nghiên cứu kéo dài từ tháng 8 đến tháng 12 năm 2015, bao gồm thu thập số liệu, mô phỏng, so sánh và phân tích kết quả.

Phân tích tập trung vào đánh giá chuyển vị ngang tường vây, độ lún đất xung quanh hồ đào, và hệ số an toàn ổn định hố đào trước và sau khi xử lý bằng Jet Grouting.

Kết quả nghiên cứu và thảo luận

Những phát hiện chính

  1. Hiệu quả giảm chuyển vị ngang tường vây: Kết quả mô phỏng cho thấy chuyển vị ngang lớn nhất tập trung ở khu vực đáy hồ đào, với chuyển vị giảm đáng kể khi sử dụng trụ xi măng đất Jet Grouting. Cụ thể, khi tỷ lệ cải thiện mặt đất tăng từ 5% đến 20%, chuyển vị ngang giảm lần lượt khoảng 12.58%.

  2. Giảm độ lún đất xung quanh hồ đào: Độ lún lớn nhất quanh hồ đào cũng giảm theo tỷ lệ cải thiện đất, với mức giảm khoảng 7% khi áp dụng giải pháp Jet Grouting.

  3. So sánh mô hình đất: Mô hình Hardening Soil cho kết quả mô phỏng sát với số liệu quan trắc thực tế hơn so với mô hình Mohr-Coulomb, đặc biệt trong việc dự báo chuyển vị và ứng suất đất.

  4. Hệ số an toàn hố đào: Sau khi xử lý bằng Jet Grouting với tỷ lệ cải thiện 20%, hệ số an toàn chống trồi đáy hố đào tăng từ 2.2 lên khoảng 3.0, đảm bảo ổn định thi công và an toàn công trình.

Thảo luận kết quả

Nguyên nhân chính của việc giảm chuyển vị và độ lún là do sự gia tăng sức kháng bị động của đất dưới đáy hồ đào nhờ các trụ xi măng đất được tạo thành bằng công nghệ Jet Grouting. Việc thay thế một phần đất yếu bằng vật liệu trộn xi măng làm tăng cường độ và độ cứng của nền đất, hạn chế sự dịch chuyển của tường vây.

So với các nghiên cứu quốc tế, kết quả này phù hợp với các công trình tại Nhật Bản và Đài Loan, nơi Jet Grouting được ứng dụng rộng rãi để xử lý nền đất yếu cho các công trình ngầm sâu. Việc lựa chọn mô hình Hardening Soil cũng được khuyến nghị do tính chính xác cao hơn trong mô phỏng ứng xử đất.

Dữ liệu có thể được trình bày qua biểu đồ so sánh chuyển vị ngang tường vây theo tỷ lệ cải thiện đất và bảng tổng hợp hệ số an toàn trước và sau xử lý, giúp minh họa rõ ràng hiệu quả của giải pháp.

Đề xuất và khuyến nghị

  1. Tăng cường ứng dụng Jet Grouting trong thi công hồ đào sâu: Khuyến khích các chủ đầu tư và nhà thầu áp dụng công nghệ Jet Grouting để gia cố đất dưới đáy hồ đào, nhằm giảm chuyển vị ngang tường vây và tăng độ ổn định công trình. Thời gian thực hiện trong giai đoạn chuẩn bị thi công hố đào.

  2. Sử dụng mô hình Hardening Soil trong phân tích thiết kế: Các kỹ sư thiết kế nên ưu tiên sử dụng mô hình Hardening Soil trong phần mềm phân tích để có kết quả chính xác hơn, đặc biệt với các công trình có điều kiện địa chất phức tạp.

  3. Tối ưu tỷ lệ cải thiện đất: Đề xuất tỷ lệ cải thiện mặt đất từ 10% đến 20% để đạt hiệu quả giảm chuyển vị và độ lún tối ưu, đồng thời cân nhắc chi phí thi công hợp lý. Chủ thể thực hiện là đơn vị tư vấn thiết kế và thi công.

  4. Cập nhật tiêu chuẩn và quy trình thi công Jet Grouting: Cơ quan quản lý chuyên ngành cần sớm hoàn thiện các tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình thi công Jet Grouting phù hợp với điều kiện Việt Nam, nhằm đảm bảo chất lượng và an toàn công trình.

Đối tượng nên tham khảo luận văn

  1. Kỹ sư thiết kế công trình ngầm: Nghiên cứu cung cấp cơ sở lý thuyết và thực tiễn để lựa chọn phương pháp gia cố nền đất phù hợp, nâng cao độ chính xác trong thiết kế tường vây và hố đào sâu.

  2. Nhà thầu thi công xây dựng: Tham khảo quy trình thi công Jet Grouting, các thông số kỹ thuật thiết bị và cách bố trí trụ xi măng đất để tối ưu hóa hiệu quả thi công và đảm bảo an toàn công trình.

  3. Chuyên gia địa kỹ thuật: Tài liệu giúp hiểu rõ hơn về mô hình đất và phương pháp phân tích phần tử hữu hạn trong xử lý nền đất yếu, hỗ trợ đánh giá và giám sát chất lượng công trình.

  4. Cơ quan quản lý xây dựng và quy chuẩn kỹ thuật: Cung cấp dữ liệu thực nghiệm và phân tích khoa học để cập nhật tiêu chuẩn, quy định về xử lý nền đất và thi công công trình ngầm tại Việt Nam.

Câu hỏi thường gặp

  1. Jet Grouting là gì và tại sao được sử dụng trong gia cố nền đất?
    Jet Grouting là công nghệ phun vữa xi măng áp lực cao để tạo thành các trụ xi măng đất, tăng cường độ và độ cứng nền đất yếu. Phương pháp này giúp giảm chuyển vị ngang và độ lún, đảm bảo ổn định cho công trình ngầm sâu.

  2. Mô hình Hardening Soil có ưu điểm gì so với Mohr-Coulomb?
    Mô hình Hardening Soil mô phỏng chính xác hơn ứng xử đàn hồi dẻo của đất, bao gồm giãn nở và sự phụ thuộc của độ cứng vào ứng suất, cho kết quả mô phỏng sát thực tế hơn, đặc biệt trong các bài toán phức tạp như hồ đào sâu.

  3. Tỷ lệ cải thiện mặt đất bằng Jet Grouting nên được lựa chọn như thế nào?
    Theo nghiên cứu, tỷ lệ cải thiện từ 10% đến 20% là hiệu quả nhất để giảm chuyển vị ngang tường vây và độ lún đất, đồng thời cân đối chi phí thi công và thời gian thực hiện.

  4. Các yếu tố thiết bị Jet Grouting ảnh hưởng như thế nào đến chất lượng trụ xi măng đất?
    Áp lực phun, tốc độ dòng phụt, lưu lượng vữa, và tốc độ xoay cần phun đều ảnh hưởng đến đường kính và chất lượng trụ xi măng đất. Áp lực phun khoảng 20 MPa và tốc độ xoay 20 vòng/phút được khuyến nghị để đạt hiệu quả tối ưu.

  5. Giải pháp Jet Grouting có thể áp dụng cho những loại đất nào?
    Jet Grouting phù hợp với nhiều loại đất như cát, bùn, đất bồi tích và đất sét, đặc biệt hiệu quả trong xử lý đất yếu dưới đáy hồ đào sâu nhằm tăng sức kháng bị động và ổn định tường vây.

Kết luận

  • Chuyển vị ngang tường vây trong thi công hồ đào sâu có thể giảm đáng kể nhờ ứng dụng công nghệ Jet Grouting với tỷ lệ cải thiện mặt đất từ 5% đến 20%, giảm chuyển vị khoảng 12.58% và độ lún khoảng 7%.
  • Mô hình Hardening Soil cho kết quả mô phỏng sát thực tế hơn so với mô hình Mohr-Coulomb, nên được ưu tiên sử dụng trong phân tích thiết kế và thi công.
  • Hệ số an toàn hố đào tăng rõ rệt sau khi xử lý bằng Jet Grouting, đảm bảo ổn định và an toàn cho công trình.
  • Việc cập nhật tiêu chuẩn kỹ thuật và quy trình thi công Jet Grouting tại Việt Nam là cần thiết để nâng cao chất lượng và hiệu quả thi công.
  • Khuyến nghị các nhà thiết kế, thi công và quản lý xây dựng áp dụng kết quả nghiên cứu để tối ưu hóa giải pháp gia cố nền đất trong các công trình ngầm sâu.

Next steps: Triển khai áp dụng công nghệ Jet Grouting trong các dự án thực tế, đồng thời tiếp tục nghiên cứu mở rộng về các mô hình phân tích và tối ưu thiết bị thi công.

Call to action: Các đơn vị liên quan nên phối hợp nghiên cứu, đào tạo và áp dụng công nghệ Jet Grouting để nâng cao chất lượng và an toàn công trình xây dựng ngầm tại Việt Nam.