Tính toán hệ kết cấu chống đỡ tường vây trong thi công tầng hầm theo phương pháp hỗn hợp

Header Page of 126 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG NGUYỄN ĐĂNG NGỌC VŨ TÍNH TOÁN HỆ KẾT CẤU CHỐNG ĐỠ TƯỜNG VÂY TRONG THI CÔNG TẦNG HẦM THEO PHƯƠNG PHÁP HỖN HỢP Chuyên ngành: Xây dựng công trình dân dụng công nghiệp Mã số : 60.58.20 TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT Đà Nẵng – Năm 2013 Footer Page of 126 Header Page of 126 Công trình hoàn thành ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG Người hướng dẫn khoa học: TS LÊ KHÁNH TOÀN Phản biện 1: PGS.TS Nguyễn Đình Thám Phản biện 2: TS Trần Quang Hưng Luận văn bảo vệ trước Hội đồng chấm Luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ kỹ thuật họp Đại Học Đà Nẵng vào ngày 27 tháng 09 năm 2013 Có thể tìm hiểu luận văn tại: - Trung Tâm Thông Tin – Học Liệu, Đại học Đà Nẵng - Trung Tâm Học Liệu, Đại học Đà Nẵng Footer Page of 126 Header Page of 126 MỞ ĐẦU Tính cấp thiết Khai thác sử dụng cách có hiệu không gian mặt đất đô thị đại xu tất yếu phát triển Những công trình ngầm, chẳng hạn hệ thống tàu điện ngầm, bãi đỗ xe ngầm…, phần công trình nằm mặt đất tầng hầm công trình…, việc phải chịu tác động giống công trình mặt đất, chịu tác động môi trường xung quanh không giai đoạn sử dụng mà giai đoạn thi công Việc thi công loại công trình ngầm nêu phức tạp, không gian đô thị chật hẹp, có nhiều công trình lân cận công trình nhà cao tầng, viện bảo tàng, di tích lịch sử, hệ thống đường giao thông hay hệ thống kỹ thuật…, gây ảnh hưởng xấu đến chúng: lún, hư hỏng, phá hủy… gây an toàn thi công, làm ảnh hưởng chất lượng, tiến độ thi công công trình Hiện nay, đơn vị thi công áp dụng nhiều biện pháp thi công khác để chống giữ vách hố đào công trình ngầm Các biện pháp thi công phụ thuộc vào điều kiện cụ thể công trình thiết bị thi công sử dụng Tính toán khả chịu lực xác định chuyển vị, biến dạng kết cấu giai đoạn thi công cách xác giúp cho việc lựa chọn biện pháp thi công hợp lí Đề tài nhắm vào việc tính toán hệ kết cấu chống đỡ tường vây bê tông cốt thép giai đoạn thi công tầng hầm công trình theo phương pháp thi công hỗn hợp Mục tiêu nghiên cứu - Tính toán áp lực đất, nước tác dụng vào lưng tường vây; - Tính toán lựa chọn hệ kết cấu chống đỡ tường vây theo phương pháp thi công hỗn hợp; Footer Page of 126 Header Page of 126 - Ứng dụng số phần mềm chuyên dụng tính toán…; - Đề xuất biện pháp thi công hợp lí công trình ngầm thực tế Đối tượng phạm vi nghiên cứu - Đối tượng nghiên cứu: + Các hố đào sâu công trình ngầm có sử dụng tường vây BTCT; + Hệ kết cấu chống đỡ tường vây bê tông cốt thép hố đào sâu công trình ngầm - Phạm vi nghiên cứu: Công trình ngầm nhà cao tầng áp dụng phương pháp thi công hỗn hợp Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết áp dụng vào công trình thực tế Bố cục luận văn Mở đầu: Tính cấp thiết đề tài; Mục tiêu, phương pháp phạm vi nghiên cứu Chương 1: Tổng quan xây dựng tầng hầm công trình Chương 2: Các phương pháp xác định áp lực đất lên tường chắn Chương 3: Tính toán hệ kết cấu chống đỡ tường vây Kết luận hướng phát triển đề tài Footer Page of 126 Header Page of 126 CHƯƠNG TỔNG QUAN VỀ XÂY DỰNG TẦNG HẦM CÔNG TRÌNH 1.1 TÌNH HÌNH XÂY DỰNG TẦNG HẦM TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM 1.1.1 Tình hình xây dựng tầng hầm giới Công trình có tầng hầm xây dựng từ lâu giới, hầu hết công trình nhà cao tầng có tầng hầm Độ sâu số tầng hầm phụ thuộc vào điều kiện địa chất, công nghệ công sử dụng công trình Đa phần công trình có từ đến tầng hầm, cá biệt có công trình yêu cầu công sử dụng có đến 5÷10 tầng hầm Đa số công trình nhà cao tầng có tầng hầm sâu tập trung chủ yếu nước phát triển như: Mỹ, Philipin, Australia, Đài Loan… Tuy nhiên, năm gần đây, nước phát triển xây dựng nhà cao tầng có tầng hầm sâu ngày nhiều như: Singapore, Thailand,… cho thấy cần thiết xu phát triển tất yếu công trình nhà cao tầng có nhiều tầng hầm Vì công trình có nhiều tầng hầm xây dựng lâu giới nên quy trình công nghệ, thiết bị dùng để xây dựng công trình có nhiều tầng hầm phát triển với nhiều công nghệ đại, tiên tiến Việc lựa chọn công nghệ xây dựng tùy thuộc vào đặc điểm cụ thể công trình Một số công nghệ, giải pháp chống đỡ thường sử dụng phổ biến để xây dựng công trình có nhiều tầng hầm giới: tường cừ thép, tường cừ cọc nhồi bêtông cốt thép (BTCT), tường cừ cọc xi măng đất, tường cừ BTCT thi công công nghệ tường đất BTCT đúc sẵn… Mặc dù công trình có nhiều tầng hầm xây dựng từ lâu giới với nhiều công nghệ khác nhau, nhiên, Footer Page of 126 Header Page of 126 mức độ khó khăn, phức tạp, ẩn chứa nhiều rủi ro nên việc thi công tầng hầm công trình giới xảy không cố, tai nạn Dưới số cố điển hình xây dựng tầng hầm giới: a Sự cố trạm xử lý nước thải Bangkok, Thái Lan [4] b Sự cố sập hố đào công trình tàu điện ngầm Taegu, Hàn Quốc [5] 1.1.2 Tình hình xây dựng tầng hầm Việt Nam Không nằm xu phát triển giới, Việt Nam, công trình có tầng hầm sâu bắt đầu xuất từ năm đầu thập niên 90, đặc biệt phát triển 10 năm trở lại Tuy nhiên, thực tế thi công, không cố liên quan đến công nghệ thi công tầng hầm xảy Việt Nam Dưới xin nêu vài cố điển hình xảy Việt Nam thi công tầng hầm công trình số năm trở lại đây: a Sự cố thi công công trình Chi nhánh Ngân hàng nông nghiệp Hà Nội, 45 Lý Thường Kiệt, Hà Nội b Sự cố thi công tầng hầm khách sạn Pacific, TP.HCM c Sự cố thi công tầng hầm Ngân hàng TMCP công thương Việt Nam Đà Nẵng 1.2 CÔNG NGHỆ THI CÔNG TẦNG HẦM CÔNG TRÌNH Để giữ ổn định vách hố đào sâu tầng hầm công trình, giới Việt Nam áp dụng nhiều công nghệ thi công khác Dưới xin giới thiệu số công nghệ áp dụng phổ biến 1.2.1 Giữ ổn định tường cừ thép kết hợp hệ chống đỡ thép hình sử dụng công nghệ neo đất Footer Page of 126 Header Page of 126 1.2.2 Giữ ổn định tường cọc nhồi bê tông cốt thép đường kính nhỏ 1.2.3 Giữ ổn định tường cọc xi măng đất 1.2.4 Giữ ổn định tường vây bê tông cốt thép Tường vây bê tông cốt thép (BTCT) giữ ổn định trình thi công công nghệ thi công sau: a Công nghệ thi công Bottum up a1 Giữ ổn định hệ dàn thép hình a2 Giữ ổn định neo đất b Công nghệ thi công Top-down c Thi công theo phương pháp hỗn hợp Để khắc phục, giảm bớt khó khăn, phát huy ưu điểm hai phương pháp Bottum-up Top-down, phương pháp thi công hỗn hợp đề nghị triển khai số công trình Việt Nam Phương pháp thi công kết hợp hai công nghệ thi công Top-down Bottom-up, nghĩa thi công phần hệ dầm sàn tầng hầm biên công trình thi công theo chiều từ tầng đến đáy móng tương ứng công nghệ thi công Topdown, sau thi công hệ dầm sàn tầng hầm phần lại theo chiều từ lên đến sàn tầng tương ứng với công nghệ thi công Bottom-up Ngoài ưu điểm hai công nghệ Top-down Bottom-up phương pháp thi công có ưu điểm như: - Giảm khối lượng việc thi công cột chống tạm; - Giảm khối lượng thi công liên kết phức tạp cột, dầm, sàn; - Giải tốt vấn đề thông gió, chiếu sáng; - Mặt thoáng lớn thuận lợi thi công tầng hầm; - Dễ giới hoá thi công đào đất; Footer Page of 126 Header Page of 126 - Ít ảnh hưởng đến sức khoẻ người lao động; - Trong trường hợp hệ cột dầm sàn thi công theo công nghệ Top-down không đảm bảo yêu cầu chịu lực, thi công bổ sung hệ chống (Bracing system) cách dễ dàng Tuy nhiên phương pháp có khó khăn: - Chỉ áp dụng có hiệu cho công trình tầng hầm có mặt đủ rộng - Do sử dụng phần hệ kết cấu dầm sàn tầng hầm công trình để chống giữ ổn định tường vây BTCT, cần phải tính toán kiểm tra khả chịu lực hệ kết cấu cách xác Như phân tích phía trên, khó khăn thi công tầng hầm công trình theo phương pháp hỗn hợp lựa chọn tính toán hệ kết cấu chống đỡ tường vây đảm bảo khả chịu lực ổn định suốt trình thi công Hệ kết cấu chống đỡ sử dụng hệ dầm sàn tầng hầm công trình không đầy đủ Chỉ số nhịp dầm sàn biên công trình liên kết với cột chống tạm thi công giai đoạn thi công cọc nhồi sử dụng Vì vậy, việc tính toán, kiểm tra lựa chọn hệ chống đỡ nhiệm vụ quan trọng mà đơn vị tư vấn thi công cần phải quan tâm 1.3 KẾT LUẬN CHƯƠNG Trong chương này, tác giả giới thiệu tổng quan tình hình xây dựng tầng hầm công trình Việt nam giới, cố xảy trình thi công phân tích rõ nguyên nhân gây nên cố Từ tổng hợp khác đến từ nguồn khác nhau, kết luận quan trọng rút là: Phần lớn nguyên nhân gây nên cố thi công tầng hầm công trình từ trình thi công, từ việc lập biện pháp thi công không hợp lý Tác giả Footer Page of 126 Header Page of 126 giới thiệu công nghệ thi công chống đỡ vách hố đào áp dụng nước giới, phân tích cụ thể ưu nhược điểm phương pháp Tác giả đặc biệt quan tâm sâu vào phân tích hai công nghệ thi công sử dụng phổ biến nay: Công nghệ Top-down công nghệ Bottom-up Từ việc ưu nhược điểm hai công nghệ này, tác giả tập trung vào giới thiệu công nghệ thi công hỗn hợp (là kết hợp hai công nghệ thi công Top-down Bottom-up) áp dụng số công trình Tác giả quan tâm đến vấn đề: Làm để lựa chọn hệ kết cấu chống đỡ hợp lý, phù hợp với công nghệ này? Việc tính toán kiểm tra hệ kết cấu chống đỡ nào? Có thể tối ưu hóa hệ kết cấu chống đỡ ứng với công trình khác không? Để tính toán hệ kết cấu chống đỡ tường vây thi công theo phương pháp hỗn hợp, cần xác định xác tải trọng tác dụng lên tường vây Nghiên cứu lý thuyết khác việc xác định tải trọng tác dụng lên tường vây công việc cần thiết luận văn Nội dung nghiên cứu đề cập chi tiết chương Tính toán hệ kết cấu chống đỡ tường vây BTCT công trình thực nhằm giải vấn đề đề cập thực chi tiết chương luận văn Footer Page of 126 Header Page 10 of 126 CHƯƠNG LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ÁP LỰC ĐẤT 2.1 TỔNG QUAN VỀ ÁP LỰC ĐẤT Khi tính toán áp lực đất lên tường chắn, độ lớn quy luật phân bố áp lực đất (ALĐ) có liên quan tới dịch chuyển tương đối tường chắn so với bề mặt tiếp xúc tường chắn đất Sự dịch chuyển có tính chất tương đối, qui ước trình bày đây: - Áp lực đất tĩnh: Khi tường chắn giữ nguyên, không dịch chuyển, đất sau tường chắn ổn định không bị biến dạng, phần biến dạng nhỏ trọng lượng thân đất gây Áp lực đất lên tường chắn gọi áp lực đất tĩnh Pt - Áp lực đất chủ động: Khi tường chắn dịch chuyển phía ngoài, xa bề mặt tiếp xúc tường chắn đất hơn, đất sau tường chắn giãn Áp lực đất lên tường chắn giảm xuống Chuyển vị tường lớn, ALĐ nhỏ Khi chuyển vị đạt đến giá trị định xuất vết nứt đất Khối đất sau tường trượt xuống theo vết nứt mà người ta gọi mặt trượt chủ động Khi ALĐ giảm đến trị số nhỏ nhất, gọi áp lực đất chủ động Pc - Áp lực đất bị động: Khi tường chắn dịch chuyển vào phía gần bề mặt tiếp xúc tường chắn đất hơn, đất sau tường bị nén chặt lại, ALĐ lên tường tăng lên Chuyển vị lớn, ALĐ tăng mạnh Khi chuyển vị đủ lớn đất xuất vết nứt gọi mặt trượt bị động Đất bị đẩy theo mặt trượt lên phía Áp lực đất lên tường đạt đến giá trị lớn nhất, gọi áp lực đất bị động Pb Footer Page 10 of 126 10 Header Page 12 of 126 xác áp lực đất lên tường chắn Việc tiếp cận cách chi tiết lí thuyết tính toán sở để tác giả lựa chọn lý thuyết tính toán thích hợp nhằm xác định áp lực đất lên tường vây công trình ngầm cụ thể, để làm sở tính toán hệ kết cấu chống đỡ tường vây BTCT thi công phương pháp hỗn hợp mà tác giả đề cập cụ thể chương Tác giả nghiên cứu giới thiệu nét ứng dụng phần mềm phân tích địa kỹ thuật, phần mềm PLAXIS V8.2 Đây phần mềm tác giả sử dụng kết hợp với phần mềm tính toán kết cấu ETABS dựa phương pháp phần tử hữu hạn để tính toán hệ kết cấu chống đỡ tường vây BTCT thi công tầng hầm công trình “Trung tâm hành thành phố Đà Nẵng”, nội dung đề cập chi tiết chương luận văn Footer Page 12 of 126 11 Header Page 13 of 126 CHƯƠNG TÍNH TOÁN HỆ KẾT CẤU CHỐNG ĐỠ TƯỜNG VÂY Tác giả giành toàn chương để tính toán hệ kết cấu chống đỡ tường vây BTCT thi công theo phương pháp hỗn hợp đề cập chương Bài toán thực công trình cụ thể, có thật: Trung tâm hành Đà Nẵng Dựa biện pháp thi công mà nhà thầu thực công trình này, tác giả tiến hành tính toán lại hệ kết cấu chống đỡ tường vây mà nhà thầu ứng dụng Phần tiếp theo, từ kết tính toán, dựa phương pháp tính toán thực hiện, tác giả đề xuất hệ kết cấu chống đỡ tường vây mới, khác so với hệ kết cấu mà nhà thầu thực để từ mô hình tối ưu tiết kiệm đảm bảo thi công hiệu an toàn Việc xác định tải trọng bên tác dụng lên tường vây thực theo hai cách: (1) Tính toán thủ công, dựa lý thuyết tính toán đề cập chương hai; (2) Sử dụng phần mềm PLAXIS để xác định tải trọng tác dụng lên hệ kết cấu chống đỡ tường vây BTCT theo giai đoạn thi công đào đất Xác định nội lực hệ kết cấu chống đỡ thực nhờ trợ giúp từ phần mềm phần tử hữu hạn ETABS Thực tế nay, đơn vị tư vấn thiết kế biện pháp thi công phận chuyên môn nhà thầu thường sử dụng phần mềm ứng dụng phương pháp phần tử hữu hạn để giải nội lực hệ kết cấu chịu tải trọng từ bên Độ xác kết phụ thuộc nhiều vào độ xác tham số đầu vào, tải trọng tác dụng tham số đầu vào quan trọng Tham số thường xác định thủ công, chứa nhiều yếu tố chủ quan, rủi ro, tốn nhiều thời gian thực ẩn chứa nhiều sai Footer Page 13 of 126 12 Header Page 14 of 126 sót kiểm soát không tốt trình tính toán Mục đích việc áp dụng phần mềm PLAXIS giảm thời gian tính toán thủ công, giảm rủi ro xác định tải trọng, từ đề xuất việc kết hợp hai phần mềm khác việc tính toán hệ kết cấu chống đỡ tường vây đảm bảo hiệu quả, tối ưu xác Bên cạnh đó, phần mềm cho phép phân tích làm việc kết cấu thông qua giai đoạn thi công theo trình tự thi công thực tế cách nhanh chóng Công việc tốn nhiều thời gian công sức thực phân tích hệ phần mềm khác Hình 3.1 cho thấy cách giải toán theo hai hướng khác thông qua việc xác định tải trọng tác dụng lên tường vây BTCT Bằng hai cách tiếp cận khác mục tiêu cuối kết xác định tải trọng, từ tính nội lực hệ kết cấu chống đỡ tường vây Hình 3.1 Tính toán hệ kết cấu chống đỡ tường vây Sử dụng phần mềm ETABS để xác định nội lực hệ kết cấu chống đỡ tường vây Đây sở để thực việc kiểm tra khả chịu lực, ổn định hệ kết cấu Footer Page 14 of 126 13 Header Page 15 of 126 3.1 GIỚI THIỆU SƠ LƯỢC VỀ TRUNG TÂM HÀNH CHÍNH ĐÀ NẴNG 3.2 ĐẶC ĐIỂM ĐỊA CHẤT CÔNG TRÌNH 3.3 TÍNH TOÁN HỆ CHỐNG ĐỠ TƯỜNG VÂY THEO PHƯƠNG PHÁP THI CÔNG HỖN HỢP 3.3.1 Sơ lược biện pháp thi công tầng hầm công trình Sau thi công xong tường vây, cọc khoan nhồi cột chống tạm, tiến hành thi công bước sau: Bước 1: Thi công dầm sàn tầng (cote 0,00 so với mặt đất tự nhiên), thi công hệ thống giằng chống tạm khu vực thông tầng, không thi công khu vực lõi công trình; Bước 2: Thi công đào đất từ cote 0,00 đến cote -5,4m; Bước 3: Thi công dầm sàn tầng hầm 1, thi công hệ thống giằng chống tạm khu vực thông tầng, không thi công khu vực lõi công trình; Bước 4: Thi công đào đất từ cote -5,4m đến cote -10,5m; Bước 5: Thi công đáy đài móng, sàn móng tầng hầm 2, không thi công khu vực lõi công trình; Bước 6: Đào đất ta luy từ cote -10,5m đến cote -16,5m khu vực lõi công trình; Bước 7: Thi công lõi phần lại tầng hầm theo hướng từ lên 3.3.2 Xác định sơ đồ làm việc tường vây bê tông cốt thép 3.3.3 Tính áp lực đất chủ động áp lực nước vào lưng tường vây a Tính thủ công Để xác định áp lực đất nước lên tường vây BTCT, tác giả sử dụng phương pháp gần Sachipana Phương pháp ứng dụng lí thuyết tính toán Rankine Footer Page 15 of 126 14 Header Page 16 of 126 Phương trình cân bằng: ì ïå Y=0 ï í ï M =0 ïîå A (3.1) b Tính phần mềm PLAXIS (V8.2-2D) Hình 3.9 Mô hình tính toán PLAXIS So sánh kết tính toán thủ công phần mềm PLAXIS thể bảng 3.4 Bảng 3.4 So sánh kết tính toán lực tác dụng lên tường chắn GDTC Tính thủ công N1 N2 Tính PLAXIS Q M N1 0,00 N2 Q M 6,5 20,4 GĐ1 0,00 2,41 0,00 GĐ2 127,6 268 298,3 189,5 GĐ3 127,6 0,00 274 305,4 189,5 GĐ4 127,6 274,8 272 393,1 131,2 264,8 168 406,9 191 467,2 0,21 192 476,4 Nhận xét: - Việc tính toán thủ công, với giả thiết ban đầu nêu, cho thấy lực dọc N1 1m bề rộng cao độ sàn tầng (hệ dầm sàn thi công công nghệ Top-down) không thay đổi Footer Page 16 of 126 15 Header Page 17 of 126 suốt trình thi công Tuy nhiên, với việc tính toán PLAXIS thay đổi thành phần lực - Giá trị lực dọc N2 tính toán PLAXIS nhỏ so với tính toán thủ công - Các thành phần lớn lực cắt mô men tường vây có xu hướng tăng lên tiến hành đào đất Giá trị mô men lớn tường vây tính PLAXIS lớn rõ rệt so với tính thủ công Từ trình tính toán cho thấy, việc tính toán dựa phần mềm PLAXIS đơn giản, thuận tiện, nhanh chóng Độ xác kết đầu phụ thuộc chủ yếu vào tham số đặc trưng đầu vào đất, tải trọng bên việc mô hình hóa hệ kết cấu Theo giai đoạn thi công, phần mềm PLAXIS cho thấy nhanh chóng tiện lợi Điều vất vả, khó khăn, khối lượng tính toán nhiều tính toán thủ công, độ xác kết tính phụ thuộc vào nhiều yếu tố: Từ giả thiết tính toán, tham số đầu vào hay yếu tổ chủ quan người tính toán… Từ kết xác định tải trọng nêu trên, tiến hành giải nội lực hệ kết cấu chống đỡ tường vây nhờ phần mềm ETABS Kết thu từ tính toán sử dụng để kiểm tra khả làm việc hệ kết cấu theo biện pháp thi công lựa chọn Kết kiểm tra cho phép rút kết luận cần thiết làm sở để khẳng định tính hiệu an toàn biện pháp thi công phải thực biện pháp đảm bảo tính khả thi biện pháp thi công 3.4 TÍNH TOÁN HỆ KẾT CẤU CHỐNG ĐỠ TƯỜNG VÂY Footer Page 17 of 126 16 Header Page 18 of 126 3.4.1 Tính toán theo biện pháp thi công thực tế công trình a1 Với tải trọng tác dụng lên hệ tính thủ công Hình 3.14 Mô hình tính toán thực tế tầng hầm công trình Chuyển vị lớn đỉnh tường 0.82cm, giá trị nhỏ so với tiêu chuẩn qui định Để tính toán, kiểm tra hệ cột chống tạm, tính cặp nội lực sau: Kiểm tra Kết so sánh Đánh giá Cặp nội lực 1: N=3368kN, Mx=97,7kN.m, My=4,5kN.m Kiểm tra bền 192302