7. Cấu trúc luận văn
3.2. Yếu tố thiết kế kỹ thuật hợp lý
3.2.1. Cơ sở để đánh giá yếu tố kỹ thuật hợp lý
- Tường vây đảm bảo yếu tố kỹ thuật như: Độ bền, độ cứng, độ ổn định trong quá trình lựa chọn giải pháp kết cấu cho tầng hầm nhà cao tầng.
- Đảm bảo tính kỹ thuật trong q trình sử dụng như là tính thấm, nứt nẻ, co ngót của bê tơng.
- Trên cơ sở so sánh độ bền, độ ổn định (độ cứng) người kỹ sư phải đưa ra được nhiều giải pháp để so sánh các giải pháp với nhau sau đó lựa chọn giải pháp tối ưu nhất khi thiết kế cơng trình cũng như thi công đảm bảo hiệu quả vừa tiếc kiệm kinh tế.
- Ngoài đảm bảo các yếu tố kỹ thuật như độ bền độ cứng độ ổn định, kinh tế thì người thiết kế phải đảm bảo thuận tiện cho vấn đề thi công hợp lý, dễ dàng.
- So sánh lựa chọn các phương pháp thi cơng, máy móc trang thiết bị để đưa vào dự án sao cho thuận tiện và phù hợp nhất, tránh thời gian ngừng nghỉ của máy móc cũng như tiến độ xây dựng nhanh nhất để tiếp tục nhanh chóng xây dựng các tầng nhà bên trên.
3.2.2. Ảnh hưởng của việc lựa chọn sơ đồ tính tốn, tính tốn kết kết cấu hợp lý tường vây
Nói chung, hiện nay trong tính tốn phân tích ổn định kết cấu tường vây tầng hầm nhà cao tầng có 2 nhóm phương pháp tính tốn: nhóm các phương pháp cổ điển: Tính tốn tường chắn khơng neo, tính tốn tường chắn có một hàng neo, tính tốn tường chắn có 1 hàng neo, thiết kế tường chắn bằng phương pháp số gia. Và phương pháp phần tử hữu hạn dùng phần mềm máy tính GEO5 để tính tốn.
3.2.2.1. Các phương pháp tính toán cổ điển và số ưu nhược điểm về các phương pháp, sơ đồ tính tốn theo phương pháp cổ điển
Thiết kế tường vây dạng tường trong đất;
+ Kiểm tra sức chịu tải của đất nền dưới chân tường; + Tính tốn tường chắn khơng neo;
+ Tính tốn tường chắn có một hàng neo; + Tính tốn tường chắn có nhiều hàng neo; + Thiết kế tường vây bằng phương pháp số gia. Nhược điểm của nhóm phương pháp này là:
- Tính tốn đơn giản nhưng độ chính xác khơng cao.
- Dựa trên nhiều tác giả nói chung chưa xét đầy đủ đặc tính của cơng trình cụ thể. - Tường bị dịch chuyển dưới tác động tổng hợp của áp lực đất theo phương ngang, phản lực thanh chống và phản lực đàn hồi của đất các phương pháp trên mới chỉ đề cập rất sơ lực đến những yếu tố mang tính chất quyết định.
+ Để phù hợp với giả thuyết tính tính- áp lực đất từ thân tường từ mặt đào trở lên phân bố theo hình tam giác, cần coi các lớp đất mà tường xuyên qua là đồng nhất, nghĩa là các chỉ tiêu cơ lý của đất làm giá trị đầu vào là giá trị trung bình của các lớp đất. Điều này làm giảm đáng kể độ tin cậy của các phương pháp.
+ Giả thuyết của các phương pháp này là coi thanh chống tuyệt đối cứng thực tế cho thấy độ cứng của thanh chống ảnh hưởng khá nhiều đến ổn định của tường chắn trong quá trình đào.
+ Độ lớn phản lực đàn hồi của đát quyết định bởi tính chất của đất, độ cứng của thân tường, hình dạng mặt cắt tường, độ sâu cọc trong đất. Với giả thiết nền đồng nhất, thân tường tuyệt đối cứng nhằm đơn giản tính tốn nhưng cũng làm giảm độ chính xác của phương pháp.
- Nội lực thân tường thực tế còn phát triển đến hết chiều sâu ngàm tường trong đất, những phương pháp này chỉ cho nội lực từ tầng chống cuối cùng trở lên, do đó khơng có căn cứ nào để thiết kế phần tường ngàm trong đất.
Ưu điểm:
Phương pháp trên khá đơn giản trong tính tốn nên phù hợp với điều kiện địa chất đơn giản có thể sử dụng trong giai đoạn thiết kế sơ bộ cho tường vây có chiều sâu vừa phải.
3.2.2.2. Phương pháp tính tốn bằng phần tử hữu hạn
Phương pháp phần tử hữa hạn là một trong nhiều nhóm phương pháp số gần đúng được dùng phổ biến để phân tính kết cấu tường vây, phương pháp phần tử hữu hạn đối với tính tốn nền móng thường có các loại như sau:
- Phương pháp phần tử hữu hạn hệ thanh trên nền đàn hồi; - Phương pháp phần tử hữu hạn bản mỏng trên nền đàn hồi.
Phương pháp này thường đem phần thân tường trên mặt đáy móng lý tưởng hóa là phần tử bản mỏng chịu uốn. Đem phần thân tường ở trong đất xem là phần tử bản mỏng trên nền đàn hồi Winkler, phần tử bản mỏng có thể khơng đẳng hướng theo các chiều, cũng có thể đẳng hướng theo các chiều, chống hoặc neo có thể xem là phần tử thanh thẳng phụ thêm. Phương pháp này có thể thích dụng với cơng trình từơng vây trong đất với dầm bản cột.
- Phương pháp phần tử hữu hạn vỏ mỏng trên nền đàn hồi.
Phương pháp này đem tường trong đất và kết cấu bên trên xem là vỏ mỏng phẳng hoặc khơng gian thành bởi các phần tử bản mỏng hình tam giác, đem nền đàn hồi Winkler thành các thanh khác lý tưởng hóa thành phần tử “lị xo” phụ thêm nối với nút của phần tử vỏ. Phương pháp này thích dụng với cơng trình ngầm trong đất có bố trí kết cấu và điều kiện chịu lực tương đối phước tạp.
Ba loại phương pháp này đều thiết lập trên mơ hình đàn hồi của đất, chúng tỏ ra đơn giản, tính tốn tương đối thuận tiện. Nhưng mà trong vùng đất yếu, đất có tính lưu biến, biến dạng của hố móng (biến dạng của thân tường, đất) sẽ tăng theo thời gian, khi phân thành từng khoảng đào, tác dụng khơng gian của phần đất lưu lại có tác dụng khống chế rất tốt đối với biến dạng của hố móng. Cũng tức là nói hai nhân tố không gian và thời gian đồng thời phối hợp khống chế sẽ có tác dụng giảm bớt một cách hữu hiệu biến dạng của hố móng. Loại hiệu ứng thời gian và không gian này, ba phương pháp trên đây khơng có cách nào có thể dùng để miêu tả được.
Hiện nay phương pháp phần tử hữu hạn hai chiều (2D) và phương pháp phần tử hữu hạn ba chiều (3D) phát triển rất nhanh nên cần úng dụng vào thực tế để miêu tả sự biến dạng của hố móng, tường biến dạng theo thời gian và không gian.
- Phương pháp phần tử hữu hạn hai chiều:
+ Lựa chọn mơ hình của đất: Căn cứ vào các tài liệu yêu cầu thực tế và yêu cầu nghiên cứu khác nhau, quan hệ ứng suất biến dạng của đất có thể lựa chọn là quan hệ đàn hồi, đàn hồi dẻo, đàn nhớt, và đàn dẻo nhớt . . . từ đó chọn ra điều kiện bền và điều kiện chảy tương ứng. Sau đó thơng qua các số liệu thí nghiệm trong phịng và ngoài thực địa, số liệu thực đo ở hiện trường để lựa chọn các thơng số thích đáng của đất.
- Đối vơi thân tường thanh chống và thanh neo với các điều kiện khống chế chuyển vị ngang của thân tường, có thể xem chúng đều làm việc trong phạm vi đàn hồi tuyến tính
- Xác định trạng thái ban đầu: theo trạng thái thực tế của cơng trình trước khi bắt đầu đào hố móng, mơ phỏng gia tải để tính tốn một lần, thu được trường ứng suất và xem đó là trường ướng suất ban đầu.
- Điều kiện biên và phạm vi tính tốn: khi hình thức kết cấu , điều kiện mơi trường, phân bố tải trọng, điều kiện thi công v.v.. của tường là đối xứng thì có thể lựa chọn mộ bên của trục đối xứng làm đối tượng nghiên cứu phân tích. Phạm vi ảnh hưởng của nó đối với biên lưng tường có thể lấy ở chỗ lớn hơn một lần độ cao tường (tổng độ cao tới đáy tường) xem là điểm gối bất động; Đối với biên theo chiều của đáy tường khi đáy tường đạt trên nền đất cứng thì tầng đất cứng rắn sẽ là biên bất động. Khi tầng đất trong phạm vi đáy tường vẫn là tương đối mềm yếu thì biên lấy ở chỗ dưới đáy tường
- Phân chia phần tử và lựa chọn phần tử: khi phân chia đơn nguyên phải phục tùng
các qui định sau: trên phần tử phân chia bắt buộc phải thể hiện chính xác trạng thái của đất và hình thức kết cấu xem là đối tượng nghiên cứu cũng như trình tự thi cơng. . .; ở vùng dự tính là tập trung ứng suất phải chia phần tử nhỏ và mau hơn; xét đến tính liên tục và tính mềm của vật kết cấuvà đất, phải quyết định số phần tử cần thiết với mức độ thấp nhất.
- Ưu điểm của phương pháp này là có thể kể đến sự tương hỗ giữa đất và tường và có thể tìm được lượng trồi lên của hố móng, độ lún của mặt đất, phạm vi vùng dẻo
cũng như quá trình phát triển trong đất, khi kết hợp với lý thuyết lưu biến của đấtcó thể tìm được hiệu ứng thời gian của các tham số.
- Phương pháp tính tốn ổn định với việc sử dụng phần mềm GEO5.
Ngày nay khi tính tốn ổn định tường vây trong địa kỹ thuật cũng thường sử dụng thêm phần mềm GEO5. GEO5 là phần mềm được phát triển dựa trên cơ sở thuật toán phần tử hữu hạn để phân tích sự biến dạng và ổn định trong lĩnh vực địa chất cơng trình.Thủ tục nhập vào đơn giản cho phép tạo mơ hình phần tử hữu hạn tính năng được cải thiện cho phép cung cấp chi tiết những kết quả tính tốn, tính năng tính tốn hồn tồn tự động và dựa trên thủ tục số hóa mạnh mẽ.
Các bài tốn địa kỹ thuật u cầu tiến tới xây dựng mơ hình và mơ phỏng xử lý theo thời gian của các loại đất đá. Do đất là vật liệu nhiều pha, các quá trình đặc biệt yêu cầu phải giải quyết cùng với áp lực nước lỗ rỗng thủy tĩnh và không phải thủy tĩnh trong đất. Mơ hình hóa đất đá là một vấn đề quan trọng do đó nhiều cơng trình địa kỹ thuật đã quan tâm đến việc mơ hình hóa các kết cấu và tương tác giữa các kết cấu với đất. GEO5 được trang bị để những tính năng đặc biệt để giải quyết một số khía cạnhcủa kết cấu địa kỹ thuật phức tạp.
Sử dụng phần mềm GEO5 giúp chúng ta biết được sự làm việc của kết cấu ứng với từng giai đoạn thi cơng ảnh hưởng đến nó. Cụ thể là thi cơng đào đất tầng hầm kết hợp với kết cấu chống giữ tường vây để chắn giữ hố đào. Khi tính tốn thiết kế lựa chọn chiều dày tường vây thì phải tính tốn kiểm tra ứng suất, biến dạng của tường trong các giai đoạn thi cơng hố đào từ đó lựa chọn được chiều dày phù hợp.
Xét đến sự biến đổi địa chất phức tạp của nền đất với nhiều lớp đất có chỉ tiêu cơ lý khác nhau. Áp lực chủ động của các lớp phân bố khơng hồn tồn là dạng tam giác mà có bước nhảy tại mặt phân cách giữa các lớp đất, không hẳn là giá trị áp lực đất tăng liên tục theo chiều sâu. Các lớp đất khác nhau có giá trị hệ số nền khác nhau nên phản ánh lực đàn hồi của đất được xét một cách cụ thể.
Thanh chống hoặc neo được mô phỏng liên kết bằng lò xo, độ ứng chiều dài thanh chống đều được xét đến thông qua độ cứng của liên kết lị xo.
Thân tường chắn được mơ phỏng bằng phần tử dầm, độ cứng của tường chắn là hữu hạn (không phải là tuyệt đối cứng) thông qua khai báo vật liệu cho phần tử thanh dầm trong GEO5.
Trên thực tế nội lực và biến dạng của tường vây có nhiều tầng chống biến đổi theo quá trình đào đất. Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm GEO5 đã
kể đến vấn đề này, ảnh hưởng của quá trình đào đất đến phản lực của thanh chống, nội lực chuyển vị theo từng bước đào. Qúa trình tính xác định được chuyển dịch ban đầu của tường tại vị trí dự kiến sẽ chống của giai đoạn đào tiếp theo. Lấy chuyển dịch các vị trí chống của tường tính được giai đoạn cuối cùng trừ đi dịch chuyển ban đầu nhờ tương ứng ta xác định được biến dạng thực tế của thanh chống và nhờ vậy tính được phản lực của thanh chống, cuối cùng tìm ra được nội lực và biến dạngtại mặt cắt thân tường. Nội lực cuối cùng để đưa vào thiết kế là tổ hợp bao các giá trị đào- biến đổi phức tạp trên suốt chiều sâu tường.
Ưu điểm:
Phần mềm GEO5 khắc phục được những nhược điểm của phương pháp khác, phản ánh được sự làm việc của kết cấu gần hơn với thực tế cho ra mơ hình hình ảnh trực quan, giúp cho kỹ sư nhận biết được khu vực nguy hiểm và có biện pháp khắc phục kịp thời.
Nhược điểm:
Phần mềm GEO5 mơ hình tính tốn chỉ mang tính chất tương đối, phần mềm địi hỏi người dùng phải có kinh nghiệm và lựa chọn được thông số đầu vào hợp lý.
3.2.2.3. Ảnh hưởng của việc lựa chọn sơ đồ tính tốn kết cấu tầng hầm nhà cao tầng
Có rất nhiều phương pháp, lý thuyêt lựa chọn sơ đồ tính tốn khác nhau cho tường vây tầng hầm nhà cao tầng. Nhưng mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm nhưng thường tồn tại vấn đề sau:
- Không những đảm bảo khả năng chịu lực mà còn tiếc kiệm được kinh tế.
- Đảm bảo độ bền, độ ổn định quá mức cho phép nhưng ngược lại tốn kém về mặt kinh tế.
Vì vậy khi lựa chọn sơ đồ tính tốn, áp dụng vào bài tốn thực tế đồi hỏi người kỹ sư phải có kinh nghiệm lựa chọn điều kiện khống chế như chuyển vị định của tường vây 1/150 từ đó để đưa ra sơ đồ tính tốn hợp lý để đảm bảo được độ bền, độ ổn định đảm bảo khả năng chịu lực nhưng vẫn phải tiếc kiệm kinh tế.