Quy Nhơn, tỉnh Gia Lai, đang phát triển nhanh với nhiều công trình cao tầng, và móng cọc là giải pháp nền móng được sử dụng phổ biến. Khi những công trình này nằm trên nền có tầng cát khá dày, câu hỏi về an toàn của móng trong điều kiện động đất trở nên đặc biệt quan trọng. Luận án tiến sĩ của Hứa Thành Thân tập trung trả lời câu hỏi đó bằng thí nghiệm trong phòng, tính toán giải tích và mô phỏng số.
Vấn đề nghiên cứu
Đề tài mang tên “Nghiên cứu sức chịu tải dọc trục của cọc có xét đến hiện tượng hóa lỏng của nền cát khi có động đất ở thành phố Quy Nhơn”. Luận án thuộc chuyên ngành Địa kỹ thuật xây dựng (mã ngành 9580211) và được thực hiện tại Viện Khoa học Thủy lợi Miền Nam, trực thuộc Viện Khoa học Thủy lợi Việt Nam, Bộ Nông nghiệp và Môi trường.
Luận án giải quyết một vấn đề cụ thể: khi cọc làm việc trong nền có tầng cát khá dày, sức chịu tải nén dọc trục của cọc bị suy giảm nếu xét đến hóa lỏng. Nguyên nhân là sức chống cắt của đất giảm do áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tăng lên. Nghiên cứu làm rõ sự thay đổi của các thông số bền động của nền cát tại Quy Nhơn, từ đó đánh giá mức suy giảm này một cách định lượng.
Hóa lỏng nền cát là gì và vì sao ảnh hưởng đến móng cọc?
Hóa lỏng là hiện tượng đất cát bão hòa nước mất dần khả năng chịu cắt khi chịu tải trọng lặp, điển hình là rung động do động đất. Dưới tác dụng của tải lặp, áp lực nước lỗ rỗng thặng dư tăng lên, làm giảm ứng suất hữu hiệu giữa các hạt đất. Khi ứng suất hữu hiệu giảm, sức chống cắt của đất giảm theo.
Với móng cọc, sức chịu tải nén dọc trục gồm hai thành phần: sức kháng thân cọc và sức kháng mũi cọc. Khi lớp cát quanh cọc bị suy giảm sức chống cắt, sức kháng thân cọc giảm, kéo theo tổng sức chịu tải của cọc giảm. Đây là lý do luận án đặt trọng tâm vào sức chịu tải nén dọc trục và sức kháng thân cọc có xét khả năng hóa lỏng.
Phương pháp nghiên cứu
Thí nghiệm ba trục gia tải lặp chu kỳ
Nghiên cứu thực hiện thí nghiệm ba trục gia tải lặp chu kỳ trên mẫu cát của Quy Nhơn để xác định hai thông số bền động quan trọng:
- Chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn.
- Chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư.
Các chỉ số này được xác định theo lộ trình ứng suất và theo số vòng chu kỳ n, tương ứng với hai tần số tải trọng là 1 Hz và 2 Hz. Việc thí nghiệm ở hai tần số cho phép đánh giá ảnh hưởng của tần số tải đến đặc tính bền động của nền cát.
Bộ thông số bền động được áp dụng
Bộ thông số bền động tương ứng với kết quả thí nghiệm ở tần số 1 Hz và 2 Hz được dùng để tính toán cho hai dự án thực tế ở Quy Nhơn. Việc tính toán được thực hiện bằng hai hướng:
- Phương pháp giải tích.
- Phương pháp số trên phần mềm GeoStudio 2018.
Cách tiếp cận này gắn kết quả thí nghiệm trong phòng với điều kiện địa chất và công trình thực tế của địa phương.
So sánh với những phương pháp nào?
Kết quả tính sức chịu tải nén dọc trục của cọc có xét khả năng hóa lỏng được đối chiếu giữa nhiều phương pháp:
- Phương pháp của Boulanger và nnk (2004).
- Phương pháp của Fellenius và nnk (2008).
- Phương pháp của Muhunthan và nnk (2017).
- Mô phỏng số bằng GeoStudio 2018.
- Phương pháp đề xuất của tác giả.
- Tính toán theo Tiêu chuẩn Việt Nam TCVN 10304:2025 (Móng cọc – Tiêu chuẩn thiết kế).
Kết quả luận án
Kết quả tính toán sức chịu tải nén dọc trục của cọc có xét khả năng hóa lỏng từ các phương pháp của Boulanger và nnk (2004), Fellenius và nnk (2008), Muhunthan và nnk (2017), GeoStudio 2018 và phương pháp đề xuất là tương đồng với nhau. Tuy nhiên, nhóm kết quả này chênh lệch đáng kể so với kết quả tính theo TCVN 10304:2025.
Từ đó, luận án thiết lập tỷ số chênh lệch của hai đại lượng giữa phương pháp đề xuất và phương pháp theo TCVN 10304:2025:
- Tổng sức chịu tải nén dọc trục của cọc có xét khả năng hóa lỏng.
- Sức kháng thân cọc có xét khả năng hóa lỏng.
Các tỷ số này là cơ sở để kỹ sư thiết kế hiệu chỉnh kết quả tính theo tiêu chuẩn khi công trình đặt trên nền cát có nguy cơ hóa lỏng.
Ý nghĩa của luận án
Ý nghĩa khoa học. Luận án cung cấp bộ thông số bền động của nền cát Quy Nhơn từ thí nghiệm ba trục gia tải lặp, bao gồm chỉ số ứng suất cắt tuần hoàn và chỉ số áp lực nước lỗ rỗng thặng dư ở hai tần số 1 Hz và 2 Hz. Đây là dữ liệu đặc trưng cho điều kiện địa chất của địa phương.
Ý nghĩa thực tiễn. Kết quả cho thấy cách tính theo TCVN 10304:2025 có thể cho giá trị khác đáng kể so với các phương pháp có xét hóa lỏng. Việc xác lập tỷ số chênh lệch giúp các đơn vị tư vấn thiết kế, thẩm tra và thi công có thêm căn cứ khi đánh giá sức chịu tải của cọc trên nền cát, đặc biệt với công trình cao tầng.
Tiến sĩ Hứa Thành Thân
TS. Hứa Thành Thân hiện đang là giảng viên Khoa Kỹ thuật công nghệ – Trường Đại học Quang Trung, tác giả luận án “Nghiên cứu sức chịu tải dọc trục của cọc có xét đến hiện tượng hóa lỏng của nền cát khi có động đất ở thành phố Quy Nhơn”
Chủ đề nghiên cứu xuất phát từ thực tế xây dựng tại Quy Nhơn, nơi móng cọc được dùng phổ biến cho nhà cao tầng và nhiều khu vực có tầng cát khá dày. Cách tiếp cận của tác giả kết hợp thí nghiệm trong phòng, tính toán giải tích, mô phỏng số và áp dụng vào hai dự án thực tế.
Công trình nghiên cứu khoa học của TS. Hứa Thành Thân không chỉ đóng góp tài liệu tham khảo giá trị cho cộng đồng kỹ thuật xây dựng mà còn minh chứng cho năng lực nghiên cứu ứng dụng mạnh mẽ của đội ngũ giảng viên Trường Đại học Quang Trung trong sứ mệnh phục vụ sự phát triển kinh tế – xã hội của địa phương!