1.4.1.1 Tính toán tường liên tục trong đất (phương pháp Sachipana - Nhật)
Là phương pháp tính toán khi xem lực trục thanh chống, mômen thân tường bất biến, lấy một số hiện tượng thực đo làm căn cứ:
* Sau khi đặt tầng chống dưới, lực trục của tầng chống trên hầu như không đổi, hoặc chỉ biến đổi chút ít.
* Chuyển dịch của thân tường từ điểm chống dưới trở lên, phần lớn đã xảy ra trước khi lắp đặt tầng chống dưới.
* Mômen uốn của thân tường từ điểm chống dưới trở lên, phần lớn trị số của nó là phần còn dư lại từ trước khi lắp đặt tầng chống dưới.
Căn cứ vào các hiện tượng thực đo này Sachipana đưa ra phương pháp tính lực trục thanh chống và mô men thân tường không biến đổi theo quá trình đào đất, những giả định cơ bản của nó là:
* Trong đất có tính dính, thân tường xem là đàn hồi dài vô hạn.
*áp lực đất thân tường từ mặt đào trở lên phân bố theo hình tam giác, từ mặt đào trở xuống phân bố theo hình chữ nhật (đã triệt tiêu áp lực đất tĩnh ở phía đào đất).
*áp lực nước bên dưới mặt đào xem là giảm đi tới không, lực chống của đất bên bị động xem là đạt tới áp lực đất bị động.
* Sau khi lắp đặt chống sẽ xem là điểm chống bất động.
* Sau khi lắp đặt tầng chống dưới thì xem trị số lực trục của tầng chống trên duy trì không đổi, còn thân tường từ tầng chống dưới trở lên vẫn duy trì ở vị trí cũ.
* Điểm mômen uốn thân tường bên dưới mặt đào M = 0 xem là một khớp, và bỏ qua lực cắt trên thân tường từ khớp ấy trở xuống.
Căn cứ vào điều kiện cân bằng tĩnh MA = 0 vàY = 0 tìm ra lực chống và chiều sâu tường.
Phương pháp đàn hồi trong “Quy phạm thiết kế móng công trình xây dựng Nhật Bản”. Thân tường xem là đàn hồi dài vô hạn, giải bằng phương trình vi phân. áp lực đất bên chủ động là đã biết, nhưng phía dưới mặt cắm vào đất (mặt đáy hố đào) chỉ có lực chống của đất bên bị động, trị số phản lực đất tỉ lệ thuận với dịch chuyển của thân tường. Các giả định của phương pháp này đều giống như phương pháp Sachipana.
Đại học Đồng Tế ( Thượng Hải – Trung Quốc) đã từng sửa đổi một số điểm trong phương pháp này, khác là ở chỗ có kể đến áp lực nước, đất ở bên chủ động từ dưới mặt đào đất.
1.4.1.3 Tính toán tường liên tục trong đất theo phương pháp tính lực trục thanh chống, nội lực thân tường biến đổi theo quá trình đào:
Phương pháp này có kể đến sự không ngừng biến đổi của lực trục các tầng thanh chống và nội lực thân tường theo tiến triển của việc đào đất và việc chống giữ. Ví dụ trong phương pháp đàn hồi trong “Quy phạm thiết kế kết cấu xây dựng Nhật Bản” vừa nêu thuộc về phương pháp tính toán này.
Những giả thiết cơ bản của phương pháp này là:
* Kể đến sự chuyển dịch của thanh chống, thanh chống thay thế bằng loxo.
*áp lực bên đất chủ động có thể dựa vào số liệu thực đo, đồng thời giả thiết là hàm số bậc 2 của toạ độ.
* Phần tường trong đất đã đạt đến vùng dẻo của áp lực đất bị động Rankine và vùng đàn hồi của phản lực đất tỉ lệ thuận với chuyển dịch của thân tường.
* Thân tường là một dầm dài hữu hạn, thanh chống ở thân tường có thể là tự do, là nối khớp hoặc là cố định.
1.4.1.4 Phương pháp gia số:
Trong thực tế quá trình chịu lực của tường chắn là quá trình tác động đồng thời giữa đất, tường, chống, nội lực của tường có liên quan đến tính chất của đất, độ cứng của tường, độ cứng của thanh chống cũng như quá trình đào
và chống. ở đây giới thiệu phương pháp tính nội lực của tường trong đất với nhiều chống trên cơ sở của phương pháp tính đơn giản hoá cọc, đất chịu tác động đồng thời của tải trọng ngang: đó chính là phương pháp gia số bằng cách đơn giản hoá tác động đồng thời của đất, tường, chống và từng bước đào đất, đồng thời lại dùng lí luận để chứng minh tính chính xác của nó và dùng kết quả tính toán thực tế để nói rõ tính hợp lý của phương pháp này.
1.4.2 Phương pháp phần tử hữu hạn:
Phương pháp phần tử hữu hạn là một thuật toán để giải những phương trình vi phân đạo hàm riêng bằng cách rời rạc hoá phương trình theo các phương không gian nghiên cứu. Việc rời rạc hoá được tiến hành bằng cách phủ lên miền xét các miền nhỏ hơn đơn giản có hình dạng tuỳ ý (phần tử hữu hạn) nhằm chuyển các phương trình của bài toán thành các ma trận liên hệ giữa các số liệu vào tại các điểm định sẵn trong phần tử (các điểm nút), với số liệu ra tại chính các điểm này. Thiết lập những phương trình ma trận tổng thể (các phương trình ma trận đối với khắp miền nghiên cứu) bằng cách cộng từ nút này tới nút khác các phương trình ma trận đối với các miền con nhỏ hơn.
Phương pháp này bắt đầu được nghiên cứu từ những năm năm mươi của thế kỷ trước và đến nay ngày càng được mở rộng và được trình bày trong nhiều tác phẩm của các nhà khoa học nổi tiếng như K.J. Bathe (1977), Zien Kie Wicz (1977), của Strang và Fix (1973), của Cook (1981), của Connor và Brebbia (1976), của Rao (1982), của I.M. Smith và D.V. Griffith (1982)...
Phương pháp phần tử hữu hạn ban đầu được nghiên cứu áp dụng cho các phần tử đơn giản như phần tử thanh, sau này được phát triển cho nhiều loại phần tử phức tạp hơn như phần tử tấm, phần tử vỏ, phần tử khối... Hơn thế nữa, phương pháp phần tử hữu hạn không chỉ dừng lại để giải các bài toán vật rắn biến dạng mà còn giải các bài toán về động lực học, bài toán truyền nhiệt, thuỷ động lực học, ổn định. Đặc biệt, phương pháp phần tử hữu hạn được áp dụng để tính cho các bài toán liên quan đến địa cơ học như ổn định mái dốc, phân bố ứng suất trong đất, ứng suất dưới đáy móng, áp lực đất lên tường chắn, áp lực
đất lên tuynen...
Cùng với sự phát triển của máy tính điện tử, rất nhiều chương trình phần mềm được viết dựa trên phương pháp phần tử hữu hạn để giúp cho người tính toán có thể tính được các bài toán phức tạp. Một số chương trình điển hình đó là:
- SAP: Structural Analysis Program do công ty Computers and Structures, Inc thuộc trường đại học Ave phát triển từ năm 1984 đến nay. Chương trình chuyên dùng để tính nội lực của hệ kết cấu đồng thời với tính cốt thép của kết cấu bê tông cốt thép, tính kết cấu thép. Chương trình có giao diện thân thiện với người sử dụng.
- ETAB: Chương trình này cũng tương tự như SAP nhưng chuyên dụng cho tính nhà cao tầng.
- MicroSTRAN V5.5/32: thuộc hệ thống kỹ thuật của Vương quốc Anh, là chương trình tính toán và thiết kế kết cấu hệ thanh phẳng và hệ thanh không gian đàn hồi tuyến tính, phi tuyến, tính ổn định và động lực học qua phân tích phổ phản ứng.
- STRAN6: là sản phẩm của công ty G+D Computing Pty, Ltd., Australia (1991) để giải các bài toán tĩnh học, động lực học, ổn định cho hệ thanh, tấm, vỏ và vật thể ba chiều làm việc trong giai đoạn đàn hồi tuyến tính hay phi tuyến vật liệu và phi tuyến hình học, đặc biệt là bài toán về năng lượng dòng chảy, bài toán truyền nhiệt.
- LARSA2000: Chương trình chuyên để tính toán và phân tích ổn định của kết cấu.
- ADINA: Automatic Dynamic Incremental Nonlinear Analysis do công ty ADINA R&D, Inc phát triển từ năm 1994. Chương trình có khả năng tính toán nội lực, ổn định, truyền nhiệt, tương tác giữa chất lỏng và kết cấu... Chương trình sử dụng nhiều loại phần tử tuyến tính và phi tuyến vật liệu, phi tuyến hình học như phần thanh, phần tử tấm, phần tử nước...
dốc, hiện tượng thấm trong đất...
- PLAXIS: Chương trình chuyên dụng để tính các bài toán về mái dốc, hố đào, hầm giao thông, đường tàu điện ngầm và các công trình ngầm khác. Chương trình Plaxis cho phép xác định trạng thái ứng suất - biến dạng của bản thân kết cấu (vỏ công trình ngầm và các phần tử liên quan), đất nền xung quanh và các quá trình tương tác giữa đất nền, kết cấu bên trên và kết cấu công trình ngầm.
1.5 Điều kiện địa chất tại thành phố Nam Định:
1.5.1. Khái quát về địa chất tại thành phố Nam Định:[27]
- Theo tài liệu địa chất của công ty cổ phần tư vấn xây dựng Nam Định, Thành phố Nam định nằm trong cấu trúc võng địa hào. Nó lọt giữa 2 đứt gẫy lớn, chạy theo hướng Tây Bắc - Đông Nam là đứt gẫy sông Hồng. Địa tầng tổng quát Thành phố Nam định gồm 2 phần:
+ Phần dưới là tầng móng bao gồm đất đá cổ có tuổi trước kỉ đệ tứ. Thành phần thạch học bao gồm: Phiến thạch sét, phiến thạch mica sa thạch và đá vôi.
+ Phần trên là tầng phủ khá dày (trên dưới 100m), bao gồm các trầm tích mềm dính có tuổi kỉ đệ tứ. Trong đó nền đất yếu phân bố hầu như rộng khắp, phát triển từ bề mặt đến độ sâu khoảng 20m và có nơi lớn hơn. Dưới độ sâu này thường gặp những lớp trầm tích Đệ tứ hệ tầng Vĩnh Phúc thành phần chủ yếu là sét, sét pha trạng thái dẻo mềm đến nửa cứng.
- Đặc điểm nổi bật của tầng phủ là các lớp đất nằm trên cùng thường là đất yếu, không thuận lợi cho xây dựng.
1.5.2 Giới thiệu tóm tắt quy mô công trình và tài liệu khảo sát địa chấtcủa công trình được thi công tại thành phố Nam Định: của công trình được thi công tại thành phố Nam Định:
1.5.2.1 Quy mô công trình Toà nhà Nam Hải Minh Tower:
- Công trình toà nhà Nam Hải Minh Tower được thiết kế với quy mô như sau :
+ Công trình được thiết kế trên diện tích khu đất 3500m
+ Công trình được thiết kế với quy mô bao gồm 28 tầng trong đó có 02 tầng hầm và 26 tầng nổi, chiều cao công trình 92,4m tính từ cốt sàn tầng 1: +0.000 (Phần bản vẽ thiết kế kèm theo phần phụ lục 1)
- Vị trí xây dựng công trình:
+ Phía Nam giáp với đường Đông A
+ Phía Đông, phía Tây và phía Bắc giáp nhà ở dân cư thấp tầng
3 0 0 0 3 0 0 0 7 5 0 4 2 0 0 4 2 0 0 3 9 0 0 3 3 0 0 3 3 0 0 3 3 0 0 3 3 0 0 3 3 0 0 4 2 0 0 6 7 5 0 9200 8000 7500 8000 9200 41900 +0.000 -0.750 -3.750 -6.750 +4.200 +8.400 +12.300 +92.400 +88.200 +84.900 +81.600 +78.300 +75.000 +71.700
1.5.2.2 Tài liệu khảo sát địa chất tại khu vực xây dựng công trình:[27] Trên mặt bằng khu đất xây dựng tiến hành khảo sát với chiều sâu của các lỗ khoan từ 60 – 65 mét. Mặt cắt địa chất và các chỉ tiêu cơ lý cuả các lớp đất được thể hiện trong tài liệu khảo sát địa chất (phần phụ lục 2)
Theo kết quả khảo sát cho thấy nền đất chia làm 13 lớp đất và một số nhận xét về các lớp đất như sau:
- Lớp 1: Lớp đất san lấp là cát, sạn, xỉ, gạch vỡ lẫn đất sét pha. Bề dày của lớp là 1,5m
- Lớp 2: Lớp Bùn sét pha có màu xám nâu, xám gụ.Trạng thái chảy. Bề dày trung bình của lớp là 3,2m. Lớp này có sức chịu tải nhỏ, do đó khi xây dựng cần có biện pháp xử lý nền.
- Lớp 3: Lớp đất sét pha màu xám, xám nâu, xám gụ. Trạng thái dẻo mềm. Bề dày trung bình của lớp là 1,7m. Lớp này có sức chịu tải trung bình, đối với những công trình lớn cần có biện pháp xử lý cọc xuyên qua lớp đất này.
- Lớp 4: Lớp Bùn sét pha màu xám nâu, xám gụ xen kẹp các mạch cát. Trạng thái dẻo chảy. Bề dày trung bình của lớp là 3,3m Lớp này có sức chịu tải nhỏ, do đó khi xây dựng cần có biện pháp xử lý nền.
- Lớp 5: Lớp đất sét pha màu xám vàng, vàng nhạt. Trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng. Bề dày trung bình của lớp là 10,6m. Lớp đất sét pha có sức chịu tải tốt, phù hợp với công trình có tải trọng từ 4 đến 6 tầng.
- Lớp 6: Lớp Cát pha màu xám, xám đen. Trạng thái dẻo . Bề dày trung bình của lớp là 3,0m. Lớp đất cát pha có sức chịu tải trung bình, đối với những công trình lớn cần có biện pháp xử lý cọc xuyên qua lớp đất này.
- Lớp 7: Lớp đất sét pha màu xám, xám nâu, xám gụ. Trạng thái dẻo mềm. Bề dày trung bình của lớp là 6,2m. Lớp này có sức chịu tải trung bình, đối với những công trình lớn cần có biện pháp xử lý cọc xuyên qua lớp đất này.
- Lớp 8: Lớp cát hạt bụi màu xám, xám đen, xen kẹp các mạch cát. Trạng thái chặt vừa. Bề dày trung bình của lớp là 8,8m. Lớp cát hạt bụi có sức chịu tải tốt, phù hợp với công trình có tải trọng từ 4 đến 6 tầng.
- Lớp 9: lớp đất sét pha màu xám, xám nâu, xám gụ đôi chỗ xen kẹt cát. Trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng. Bề dày trung bình của lớp là 4,7m. Lớp đất sét pha có sức chịu tải tốt, phù hợp với công trình có tải trọng từ 4 đến 6 tầng.
- Lớp 10: Lớp cát hạt mịn màu xám, xám đen, xen kẹp các mạch cát. Trạng thái chặt vừa. Bề dày trung bình của lớp là 2,6m. Lớp đất cát hại mịn có sức chịu tải tốt nhưng bề dày mỏng cho nên khi xây dựng công trình lớn cần có biện pháp xử lý cọc xuyên qua lớp đất này.
- Lớp 11: lớp đất sét pha màu xám, xám nâu, xám gụ đôi chỗ xen kẹt cát. Trạng thái dẻo cứng đến nửa cứng. Bề dày trung bình của lớp là 9,0m. Lớp đất sét pha có sức chịu tải tốt, phù hợp với công trình có tải trọng từ trung bình đến lớn.
- Lớp 12: Lớp cát nhỏ màu xám, xám đen. Trạng thái chặt . Bề dày trung bình của lớp là 2,4m. Lớp cát nhỏ có sức chịu tải tốt, phù hợp với công trình có tải trọng từ trung bình đến lớn.
- Lớp 13: Lớp cát hạt trung lẫn sạn sỏi cuội nhỏ màu xám, xám sáng, vàng nhạt ở trạng thái chặt đến rất chặt. Với chiều sâu các lỗ khoan chưa xác định hết chiều dày của lớp. Lớp cát hạt trung lẫn cuội sỏi só sức chịu tải rất tốt phù hợp với công trình cao tầng có tải trọng lớn.
chương 2
các phương pháp tính toán thiết kế tường liên tục trong đất có kể đến sự làm việc của nền
2.1 Các dạng tải trọng và cách xác định:[8,10,22]
Công trình tác dụng tương hỗ với môi trường đất trong thời gian xây dựng và khai thác là khác nhau. Đa số ở các công trình áp lực bên của đất là một trong những tải trọng cơ bản, chỉ truyền lên tường ngăn hoặc một phần công trình. Tải trọng tác dụng lên công trình không chỉ phụ thuộc vào loại đất mà còn vào ý nghĩa công trình, giải pháp kết cấu, phương pháp xây dựng của chúng.
Mặc dù tải trọng do áp lực ngang của đất là tải trọng cơ bản đối với tường trong đất nhưng khi tính toán tất cả các tải trọng đều được khảo sát. Các dạng tải trọng có thể tác động lên công trình gồm:
- Do trọng lượng bản thân của công trình. - Do tác động của các ứng lực đặt trên mặt đất.
- Do một phần nhà trên mặt đất truyền trực tiếp lên công trình. - Do một phần nhà trên mặt đất truyền qua đất.
- Do áp lực đất lên mặt tường.
- Do áp lực nước dưới đất lên mặt tường.
- Các tải trọng tập trung do neo đất hoặc thanh văng