Tóm lại, tác động của áp lực đẩy nổi đối với dầm sàn tầng hầm vô cùng nguy hiểm vì làm đổi thớ căng của moment, do đó phải đƣợc xét đến trong thiết kế kết cấu để tính toán bố[r]
(1)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
1. 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 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
*
Bộ môn Địa - Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học uốc Gia ThànhPhố Hồ Chí Minh
Email: lebavinh@hcmut.edu.vn
các vết nứt gây ngập úng tầng hầm, rỉ sét cốt thép chí khơng đảm bảo khả chịu lực cho kết cấu (Hình 1)
(2)I H Wong (2001) đƣa phƣơng án sử dụng cọc chịu kéo (tension piles) để chống lại lực đẩy (hình 2) Loại cọc thông thƣờng đƣợc sử dụng cọc ống thép nhồi bê tông (micropiles), cọc cần phải đƣợc sơn phủ epoxy mạ kẽm nhúng nóng
Hình 2: Nhóm cọc chịu kéo, chống lại đẩy
Ji-wen Zhang et al (2019) đƣa mơ hình thí nghiệm phịng 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
2. ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA ĐẨY NỔI ĐỐI VỚI SÀN HẦM
2.1. Phân tích, đánh giá tác động đẩy nổi sàn tầng hầm cao độ mực nƣớc ngầm không đổi
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 thông số đầu vào dùng mô
Số
tầng
hầm
Chiều sâu tầng hầm cuối so
với MĐTN
(m)
Chiều dày sàn hầm cuối
(mm) Tải hoàn thiện SDL (kN/m2
)
Hoạt tải sử
dụng LL (kN/m2
)
Áp lực nước
đẩy nổi (kN/m2)
*
1 -3.5 300 1.0 5.0 -15
2 -7.0 400 1.0 5.0 -50
3 -10.5 600 1.0 5.0 -85
4 -14.0 800 1.0 5.0 -120
5 -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
(3)Hình 6: Khai báo tải đẩy
Hình 7: Moment sàn ứng với tổ hợp - không xét đẩy nổi(kNm)
Hình 8: Moment sàn ứng với tổ hợp - có xét đẩy (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 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)
(4)
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)
(5)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 trên nhịp xét đẩy (kNm)
Hình 15: Biểu đồ thể giá trị moment thớ dưới 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
Số tầng hầm
Chiều sâu tầng hầm cuối so với
MĐTN (m)
Chiều dày sàn hầm cuối (mm)
Tải hoàn thiện SDL
(kN/m2)
Áp lực nƣớc đẩy mùa mƣa (kN/m2
)
Áp lực nƣớc đẩy mùa khô (kN/m2)
1 -3.5 300 1.0 -15
2 -7.0 400 1.0 -50 -15
3 -10.5 600 1.0 -85 -50
4 -14.0 800 1.0 -120 -85
(6)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 khơ 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 giữa 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
này 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
3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Thớ căng moment tổ hợp (khơng 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
(7)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