Bài viết phân tích, đánh giá tác động của đẩy nổi đối với sàn tầng hầm khi cao độ mực nƣớc ngầm không đổi, phân tích, đánh giá tác động của đẩy nổi đối với sàn hầm giữa mùa khô và mùa mưa,
ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA ÁP LỰC NƯỚC ĐẨY NỔI ĐỐI VỚI SÀN TẦNG HẦM LÊ BÁ VINH* HOÀNG LONG HẢI, HOÀNG THẾ THAO The impact of Buoyancy Force on basement floor Abstract: Analysis of the buoyancy effect on the basement floor showed that the buoyancy pressure made the bending moment is negative (hogging) at span and positive (sagging) at support When ignoring the buoyancy forces in the design causes cracking of the basement due to the tensile stresses appearing where the rebar is not properly arranged to participate in tensile, the water will seep through the cracks causing flooding basement, reinforced rust and may not even guarantee structural strength The deeper basements are, the greater the value of moment caused by buoyancy pressure The magnitude of the moment increases linearly with the number of basements On the other hand, when studying the effect of weather on Buoyancy Force acting on basement floor, the internal force in rainy season is greater than that in dry season Specifically, the difference in moment between the rainy and dry season is about 6.5 times for buildings with basements, times with basements, 1.5 times with floors basements and 1.4 times with basements ĐẶT VẤN ĐỀ * Hiện nay, nhiều dự án có tầng hầm xây dựng vùng đất bùn sét, tƣợng đẩy làm nứt sàn hầm xẩy phổ biến Nguyên nhân ban đầu xét đến lớp đất dính khơng thấm nƣớc, lớp dƣới có tầng chứa nƣớc có áp tầng chứa nƣớc khơng phải nƣớc có áp, nhƣng q trình thi cơng hình thành chênh lệch cột nƣớc ngồi tƣờng hầm, dẫn đến hình thành áp lực đẩy Vì q trình thiết kế kết cấu sàn hầm khơng khai báo tải trọng đẩy nên dẫn đến tƣợng nứt sàn hầm ứng suất kéo xuất mà khơng đƣợc bố trí cốt thép hợp lý để tham gia chịu kéo, nƣớc thấm qua * vết nứt gây ngập úng tầng hầm, rỉ sét cốt thép chí khơng đảm bảo khả chịu lực cho kết cấu (Hình 1) Bộ mơn Địa - Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học ThànhPhố Hồ Chí Minh Email: lebavinh@hcmut.edu.vn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 uốc Gia Hình 1: Áp lực đẩy gây nứt sàn hầm thấm nước 77 I H Wong (2001) đƣa phƣơng án sử dụng cọc chịu kéo (tension piles) để chống lại lực đẩy (hình 2) Loại cọc thơng thƣờng đƣợc sử dụng cọc ống thép nhồi bê tông (micropiles), cọc cần phải đƣợc sơn phủ epoxy mạ kẽm nhúng nóng Để mức độ đánh giá có tính phổ biến, tác giả sử dụng sàn có nhịp từ 3m, 4m, 5m, 6m đến 7m để phân tích Bảng trình bày thơng số đầu vào cho mơ hình xét Bảng 1: Bảng thơng số đầu vào dùng mô Số Chiều Chiều Tải Hoạt Áp lực tầng sâu dày hoàn tải sử nước hầm tầng sàn thiện dụng đẩy hầm hầm SDL LL (kN/m2) cuối so cuối (kN/m2 (kN/m2 với Hình 2: Nhóm cọc chịu kéo, chống lại đẩy Ji-wen Zhang et al (2019) đƣa mơ hình thí nghiệm phòng để khảo sát lực đẩy tác động lên kết cấu ngầm điều kiện xuất dòng chảy Kết nghiên cứu cho thấy lực đẩy xuất dòng chảy lớn trƣờng hợp nƣớc tĩnh Trong nghiên cứu này, tác giả thực phân tích tác động áp lực nƣớc đẩy cơng trình có 1, 2, 3, tầng hầm Mục đích để so sánh nội lực sàn hầm có xét khơng xét đẩy Từ đƣa đánh giá cụ thể tác động tải trọng đẩy nổi, làm sở để có phƣơng án thiết kế kết cấu hợp lý cho sàn hầm Căn vào TCVN 2737:1995, tác giả đề xuất 02 tổ hợp để phân tích nhƣ sau: Tổ hợp (TH1): 1.1DL + 1.1SDL + 1.2LL (không xét đẩy nổi) Tổ hợp (TH2): 1.0DL + 1.0SDL + 1.2ALN (xét đẩy nổi) Trong đó, DL tải trọng thân kết cấu, SDL tải trọng hoàn thiện, LL hoạt tải sử dụng ALN áp lực nƣớc đẩy ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA ĐẨY NỔI ĐỐI VỚI SÀN HẦM 2.1 Phân tích, đánh giá tác động đẩy sàn tầng hầm cao độ mực nƣớc ngầm không đổi 78 (mm) ) ) * MĐ TN (m) -3.5 300 1.0 5.0 -15 -7.0 400 1.0 5.0 -50 -10.5 600 1.0 5.0 -85 -14.0 800 1.0 5.0 -120 -17.5 1000 1.0 5.0 -155 * Giả thiết cao độ mực nước ngầm 2.000m so với mặt đất tự nhiên Các hình 3-6 nêu rõ cách khai báo thơng số Các hình 7, kết hình dạng moment sàn cho trƣờng hợp có khơng có đẩy Hình 3: Mơ hình sàn SAFE 2016 Hình 4: Khai báo tải trọng hồn thiện Hình 5: Khai báo hoạt tải sử dụng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Hình 6: Khai báo tải đẩy Hình 7: Moment sàn ứng với tổ hợp - không xét đẩy nổi(kNm) Quy ƣớc giá trị moment số dƣơng căng thớ dƣới, số âm căng thớ trên, kết phân tích cho thấy giá trị moment (kNm) nhƣ sau (Hình 9-13): Ơ sàn có nhịp 3m: Hình 8: Moment sàn ứng với tổ hợp có xét đẩy (kNm) Hình 9: Biểu đồ so sánh moment sàn có xét khơng xét đẩy (nhịp 3m) Ơ sàn có nhịp 4m: Hình 10: Biểu đồ so sánh moment sàn có xét khơng xét đẩy (nhịp 4m) Ơ sàn có nhịp 5m: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 79 Hình 11: Biểu đồ so sánh moment sàn có xét khơng xét đẩy (nhịp 5m) Ơ sàn có nhịp 6m: Hình 12: Biểu đồ so sánh moment sàn có xét khơng xét đẩy (nhịp 6m) Ơ sàn có nhịp 7m: Hình 13: Biểu đồ so sánh moment sàn có xét khơng xét đẩy (nhịp 7m) Qua phân tích lực đẩy tác động đến nội lực sàn dầm, tác giả nhận thấy: 80 Thớ căng moment tổ hợp (không xét đẩy nổi) tổ hợp (có xét đẩy nổi) hoàn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 toàn ngƣợc Trong đó, tổ hợp cho kết moment căng thớ dƣới nhịp thớ gối, tổ hợp cho kết moment căng thớ nhịp thớ dƣới gối.Cơng trình có nhiều tầng hầm sâu, giá trị moment áp lực đẩy gây lớn, xuống sâu áp lực nƣớc tăng Độ lớn moment tăng tuyến tính theo số lƣợng tầng hầm (Đồ thị hình 14, 15) Hình 14: Biểu đồ thể giá trị moment thớ nhịp xét đẩy (kNm) Số tầng hầm Chiều sâu tầng hầm cuối so với MĐTN (m) -3.5 -7.0 -10.5 -14.0 -17.5 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 Chiều dày sàn hầm cuối (mm) 300 400 600 800 1000 Hình 15: Biểu đồ thể giá trị moment thớ gối xét đẩy (kNm) Chênh lệch độ lớn moment sàn tổ hợp (xét đẩy nổi) với tổ hợp (không xét đẩy nổi) cơng trình có số lƣợng tầng hầm 1, 2, 3, tƣơng ứng lần lƣợt 0.6 (0.7), 2.6 (3.0), 3.6 (4.0), 4.1 (4.7) 4.5 (5.2), (giá trị bên dấu ngoặc nhịp, bên dấu ngoặc gối) Mức độ chệnh lệch tăng số lƣợng tầng hầm tăng Bên cạnh đó, độ chênh lệch moment gối ln lớn nhịp 2.2 Phân tích, đánh giá tác động đẩy sàn hầm mùa khô mùa mưa Cao độ mực nƣớc ngầm thay đổi mùa mƣa mùa khô ảnh hƣởng đến áp lực nƣớc đẩy nổi, nội lực sàn không giống hai mùa.Trong nghiên cứu này, tác giả chọn cao độ mực nƣớc ngầm vào mùa khô -5.500m mùa mƣa 2.000m kể từ mặt đất tự nhiên để phân tích Tải hoàn thiện SDL (kN/m2) 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 Áp lực nƣớc đẩy mùa mƣa (kN/m2) -15 -50 -85 -120 -155 Áp lực nƣớc đẩy mùa khô (kN/m2) -15 -50 -85 -120 81 Để mức độ đánh giá có tính phổ biến, tác giả sử dụng sàn có nhịp từ 3m, 4m, 5m, 6m đến 7m Cơng trình có tầng hầm: vào mùa khô đáy sàn nằm MNN nên giá trị moment gây áp lực nƣớc Tuy nhiên vào mùa mƣa MNN dâng cao, áp lực đẩy tác động vào sàn tầng hầm nhƣ trình bày 3.1 Sự chênh lệch moment mùa mƣa mùa khô khoảng 6.5 lần cơng trình có tầng hầm Gía trị chênh lệch lần cơng trình có tầng hầm, 1.5 lần cơng trình có tầng hầm 1.4 lần cơng trình có tầng hầm (Hình 16) Hình 16: Biểu đồ thể chênh lệch moment mùa mưa mùa khô 2.3 Nhận xét thảo luận Khi thiết kế sàn tầng hầm nói riêng cơng trình ngầm nói chung, cần xác định tồn áp lực nƣớc đẩy lớp địa chất dƣới kết cấu ngầm, đặc biệt đất bùn sét Nhƣ phân tích, áp lực nƣớc đẩy khác thời điểm năm, đặc biệt mùa mƣa mùa khơ Do đó, cần có kế hoạch quan trắc mùa mƣa để xác định đƣợc áp lực nƣớc đẩy điều kiện bất lợi Khi xác định đƣợc áp lực nƣớc đẩy khu vực khảo sát, tiến hành khai báo tải trọng 82 vào quy trình thiết kế kết cấu Từ cho biểu đồ nội lực để tính tốn tiết diện cấu kiện nhƣ bố trí cốt thép vị trí hợp lý, phịng tránh đƣợc tƣợng nứt sàn hầm áp lực nƣớc đẩy gây KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Thớ căng moment tổ hợp (không xét đẩy nổi) tổ hợp (có xét đẩy nổi) hồn tồn ngƣợc Trong đó, tổ hợp cho kết moment căng thớ dƣới nhịp thớ gối, tổ hợp cho kết moment căng thớ nhịp thớ dƣới gối Chênh lệch độ lớn moment tổ hợp với tổ hợp cơng trình có số lƣợng tầng hầm 1, 2, 3, tƣơng ứng lần lƣợt 0.6 (0.7), 2.6 (3.0), 3.6 (4.0), 4.1 (4.7) 4.5 (5.2), (giá trị bên dấu ngoặc nhịp, bên dấu ngoặc gối) Mức độ chệnh lệch tăng số lƣợng tầng hầm tăng Bên cạnh đó, độ chênh lệch moment gối ln lớn nhịp Vì vậy, cơng trình có nhiều tầng hầm sâu, giá trị moment áp lực đẩy gây lớn, xuống sâu áp lực nƣớc đẩy tăng Tác động áp lực đẩy dầm sàn tầng hầm vơ nguy hiểm làm đổi thớ căng moment, phải đƣợc xét đến thiết kế kết cấu để tính tốn bố trí cốt thép hợp lý Khi bỏ qua áp lực đẩy thiết kế dễ dẫn đến tƣợng nứt sàn hầm ứng suất kéo xuất mà khơng đƣợc bố trí cốt thép đủ để tham gia chịu kéo, nƣớc thấm qua vết nứt gây ngập úng tầng hầm, rỉ sét cốt thép chí khơng đảm bảo khả chịu lực cho kết cấu Khi nghiên cứu ảnh hƣởng thời tiết đến tác động áp lực nƣớc đẩy sàn tầng hầm cho kết nội lực mùa mƣa lớn mùa khô Cụ thể, chênh lệch giá trị moment mùa mƣa mùa khô khu vực Quận 2, TP Hồ Chí Minh khoảng 6.5 lần cơng trình có tầng hầm Gía trị chênh lệch lần cơng trình có tầng hầm, ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 1.5 lần cơng trình có tầng hầm 1.4 lần cơng trình có tầng hầm Tóm lại, tác động áp lực đẩy dầm sàn tầng hầm vơ nguy hiểm làm đổi thớ căng moment, phải đƣợc xét đến thiết kế kết cấu để tính tốn bố trí cốt thép hợp lý TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCVN 2737:1995, Tải trọng tác động Tiêu chuẩn thiết kế [2] I H Wong, “Methods of resisting hydrostatic uplif in substructures,” Tunnelling and Underground Space Technology, 2001 [3] Ji-wen Zhang et al, “Buoyancy Force Acting on Underground Structures considering Seepage of Confined Water”,Hindawi, 2019 [4] CSi Analysis Reference Manual, 2017 Người phản biện: PGS.TS NGUYỄN VĂN DŨNG ĐỊA KỸ THUẬT SỐ - 2020 83 ... trọng hoàn thiện, LL hoạt tải sử dụng ALN áp lực nƣớc đẩy ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA ĐẨY NỔI ĐỐI VỚI SÀN HẦM 2.1 Phân tích, đánh giá tác động đẩy sàn tầng hầm cao độ mực nƣớc ngầm không đổi 78 (mm)... lƣợng tầng hầm tăng Bên cạnh đó, độ chênh lệch moment gối ln lớn nhịp Vì vậy, cơng trình có nhiều tầng hầm sâu, giá trị moment áp lực đẩy gây lớn, xuống sâu áp lực nƣớc đẩy tăng Tác động áp lực đẩy. .. 6m đến 7m Cơng trình có tầng hầm: vào mùa khô đáy sàn nằm MNN nên giá trị moment gây áp lực nƣớc Tuy nhiên vào mùa mƣa MNN dâng cao, áp lực đẩy tác động vào sàn tầng hầm nhƣ trình bày 3.1 Sự