Đánh giá tác động của áp lực nước đẩy nổi đối với sàn tầng hầm

pearing 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 2 basements, 2 times with 3 basements, 1.5 times with 4 floors basements and 1.4 times with 5 basements. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ * Hiện nay, tại nhiều dự án có tầng hầm xây dựng trên vùng đất bùn sét, hiện tƣợng đẩy nổi làm nứt sàn hầm xẩy ra khá phổ biến. Nguyên nhân ban đầu có thể xét đến khi lớp trên là đất dính không thấm nƣớc, lớp dƣới có một tầng chứa nƣớc có áp hoặc tầng chứa nƣớc không phải là nƣớc có áp, nhƣng do quá trình thi công đã hình thành chênh lệch cột nƣớc trong và ngoài tƣờng hầm, dẫn đến hình thành áp lực đẩy nổi. Vì trong quá trình thiết kế kết cấu sàn hầm không khai báo tải trọng đẩy nổi này nên dẫn đến hiện tƣợng nứt sàn hầm do ứng suất kéo xuất hiện mà tại đó không đƣợc bố trí cốt thép hợp lý để tham gia chịu kéo, nƣớc sẽ thấm qua * Bộ môn Địa cơ - 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 và thậm chí có thể không đảm bảo khả năng chịu lực cho kết cấu (Hình 1). Hình 1: Áp lực đẩy nổi gây nứt sàn hầm và thấm nước ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 78 I. H. Wong (2001) đã đƣa ra phƣơng án sử dụng cọc chịu kéo (tension piles) để chống lại lực đẩy nổi (hình 2). Loại cọc thông thƣờng đƣợc sử dụng là cọc ống thép nhồi bê tông (micropiles), các cọc này cần phải đƣợc sơn phủ epoxy hoặc mạ kẽm nhúng nóng. Hình 2: Nhóm cọc chịu kéo, chống lại đẩy nổi Ji-wen Zhang et al (2019) đã đƣa ra mô hình thí nghiệm trong phòng để khảo sát lực đẩy nổi tác động lên kết cấu ngầm trong điều kiện xuất hiện dòng chảy. Kết quả nghiên cứu cho thấy lực đẩy nổi khi xuất hiện dòng chảy lớn hơn trƣờng hợp nƣớc tĩnh. Trong nghiên cứu này, tác giả thực hiện phân tích tác động của áp lực nƣớc đẩy nổi đối với các công trình có 1, 2, 3, 4 và 5 tầng hầm. Mục đích là để so sánh nội lực trong sàn hầm khi có xét và không xét đẩy nổi. Từ đó đƣa ra các đánh giá cụ thể về tác động của tải trọng đẩy nổi, làm cơ sở để có phƣơng án thiết kế kết cấu hợp lý cho sàn hầm. Căn cứ vào TCVN 2737:1995, tác giả đề xuất 02 tổ hợp để phân tích nhƣ sau: Tổ hợp 1 (TH1): 1.1DL + 1.1SDL + 1.2LL (không xét đẩy nổi). Tổ hợp 2 (TH2): 1.0DL + 1.0SDL + 1.2ALN (xét đẩy nổi). Trong đó, DL là tải trọng bản thân kết cấu, SDL là tải trọng hoàn thiện, LL là hoạt tải sử dụng và ALN là áp lực nƣớc đẩy nổi. 2. ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA ĐẨY NỔI ĐỐI VỚI SÀN HẦM 2.1. Phân tích, đánh giá tác động của đẩy nổi đối với sàn tầng hầm khi cao độ mực nƣớc ngầm không đổi Để mức độ đánh giá có tính phổ biến, tác giả sử dụng các ô sàn có nhịp từ 3m, 4m, 5m, 6m đến 7m để phân tích. Bảng 1 trình bày các thông số đầu vào cho các mô hình xét. Bảng 1: Bảng thông số đầu vào dùng trong mô phỏng Số tầng hầm Chiều sâu tầng hầm cuối so với MĐ TN (m) Chiều dày sàn hầm cuố i (mm) Tải hoàn thiện SDL (kN/m2 ) Hoạt tải sử dụng LL (kN/m2 ) Áp lực nước đẩy nổ i (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 là - 2.000m so với mặt đất tự nhiên. Các hình 3-6 nêu rõ cách khai báo các thông số. Các hình 7, 8 là kết quả hình dạng moment sàn cho 2 trƣờng hợp có và không có đẩy nổi. Hình 3: Mô hình ô sàn trong SAFE 2016 Hình 4: Khai báo tải trọng hoàn thiện Hình 5: Khai báo hoạt tải sử dụng ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 79 Hình 6: Khai báo tải đẩy nổi Hình 7: Moment sàn ứng với tổ hợp 1 - không xét đẩy nổi(kNm) Hình 8: Moment sàn ứng với tổ hợp 2 - có xét đẩy nổi (kNm) Quy ƣớc giá trị moment là số dƣơng khi căng thớ dƣới, số âm khi căng thớ trên, kết quả phân tích cho thấy giá trị moment (kNm) nhƣ sau (Hình 9-13): Ô sàn có nhịp 3m: Hình 9: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và không xét đẩy nổi (nhịp 3m) Ô sàn có nhịp 4m: Hình 10: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và không xét đẩy nổi (nhịp 4m) Ô sàn có nhịp 5m: ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 80 Hình 11: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và không xét đẩy nổi (nhịp 5m) Ô sàn có nhịp 6m: Hình 12: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và không xét đẩy nổi (nhịp 6m) Ô sàn có nhịp 7m: Hình 13: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và không xét đẩy nổi (nhịp 7m) Qua phân tích lực đẩy nổi tác động đến nội lực trong sàn và dầm, tác giả nhận thấy: Thớ căng của moment giữa tổ hợp 1 (không xét đẩy nổi) và tổ hợp 2 (có xét đẩy nổi) hoàn ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 81 toàn ngƣợc nhau. Trong đó, tổ hợp 1 cho kết quả moment căng thớ dƣới tại nhịp và thớ trên tại gối, trong khi tổ hợp 2 cho kết quả moment căng thớ trên tại nhịp và thớ dƣới tại gối.Công trình càng có nhiều tầng hầm sâu, giá trị moment do áp lực đẩy nổi gây ra càng lớn, vì càng xuống sâu áp lực nƣớc càng tăng. Độ lớn moment tăng tuyến tính theo số lƣợng tầng hầm (Đồ thị hình 14, 15). Hình 14: Biểu đồ thể hiện giá trị moment thớ trên tại nhịp khi xét đẩy nổi (kNm) Hình 15: Biểu đồ thể hiện giá trị moment thớ dưới tại gối khi xét đẩy nổi (kNm) Chênh lệch về độ lớn của moment sàn giữa tổ hợp 2 (xét đẩy nổi) với tổ hợp 1 (không xét đẩy nổi) đối với công trình có số lƣợng tầng hầm là 1, 2, 3, 4 và 5 tƣơng ứng lần lƣợt là 0.6 (0.7), 2.6 (3.0), 3.6 (4.0), 4.1 (4.7) và 4.5 (5.2), (giá trị bên ngoài dấu ngoặc là tại nhịp, bên trong dấu ngoặc là tại gối). Mức độ chệnh lệch này tăng khi số lƣợng tầng hầm tăng. Bên cạnh đó, độ chênh lệch moment tại gối luôn lớn hơn nhịp. 2.2. Phân tích, đánh giá tác động của đẩy nổi đối với sàn hầm giữa mùa khô và mùa mưa Cao độ mực nƣớc ngầm thay đổi giữa mùa mƣa và mùa khô ảnh hƣởng đến áp lực nƣớc đẩy nổi, khi ấy nội lực trong bản sàn cũng không giống nhau giữa hai mùa.Trong nghiên cứu này, tác giả chọn cao độ mực nƣớc ngầm vào mùa khô là -5.500m và mùa mƣa là - 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/m 2 ) Áp lực nƣớc đẩy nổi mùa mƣa (kN/m2) Áp lực nƣớc đẩy nổi mùa khô (kN/m 2 ) 1 -3.5 300 1.0 -15 0 2 -7.0 400 1.0 -50 -15 3 -10.5 600 1.0 -85 -50 4 -14.0 800 1.0 -120 -85 5 -17.5 1000 1.0 -155 -120 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 82 Để mức độ đánh giá có tính phổ biến, tác giả sử dụng các ô sàn có nhịp từ 3m, 4m, 5m, 6m đến 7m. Công trình có 1 tầng hầm: vì vào mùa khô đáy sàn nằm trên MNN nên giá trị moment gây ra bởi áp lực nƣớc bằng 0. Tuy nhiên khi vào mùa mƣa thì MNN dâng cao, áp lực đẩy nổi sẽ tác động vào sàn tầng hầm nhƣ đã trình bày ở 3.1. Sự chênh lệch moment giữa mùa mƣa và mùa khô khoảng 6.5 lần đối với công trình có 2 tầng hầm. Gía trị chênh lệch này là 2 lần đối với công trình có 3 tầng hầm, 1.5 lần đối với công trình có 4 tầng hầm và 1.4 lần đối với công trình có 5 tầng hầm (Hình 16). Hình 16: Biểu đồ thể hiện chênh lệch moment giữa mùa mưa và mùa khô 2.3. Nhận xét và thảo luận Khi thiết kế sàn tầng hầm nói riêng và công trình ngầm nói chung, cần xác định sự tồn tại của áp lực nƣớc đẩy nổi trong lớp địa chất ngay dƣới kết cấu ngầm, đặc biệt là trong nền đất bùn sét. Nhƣ đã phân tích, áp lực nƣớc đẩy nổi khác nhau ở các thời điểm trong năm, đặc biệt giữa mùa mƣa và mùa khô. Do đó, cần có kế hoạch quan trắc trong mùa mƣa để xác định đƣợc áp lực nƣớc đẩy nổi trong điều kiện bất lợi nhất. Khi đã xác định đƣợc áp lực nƣớc đẩy nổi tại khu vực khảo sát, tiến hành khai báo tải trọng này vào quy trình thiết kế kết cấu. Từ đó cho ra biểu đồ nội lực để tính toán tiết diện cấu kiện cũng nhƣ bố trí cốt thép tại vị trí hợp lý, phòng tránh đƣợc hiện tƣợng nứt sàn hầm do áp lực nƣớc đẩy nổi gây ra. 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ Thớ căng của moment giữa tổ hợp 1 (không xét đẩy nổi) và tổ hợp 2 (có xét đẩy nổi) hoàn toàn ngƣợc nhau. Trong đó, tổ hợp 1 cho kết quả moment căng thớ dƣới tại nhịp và thớ trên tại gối, trong khi tổ hợp 2 cho kết quả moment căng thớ trên tại nhịp và thớ dƣới tại gối. Chênh lệch về độ lớn của moment giữa tổ hợp 2 với tổ hợp 1 đối với công trình có số lƣợng tầng hầm là 1, 2, 3, 4 và 5 tƣơng ứng lần lƣợt là 0.6 (0.7), 2.6 (3.0), 3.6 (4.0), 4.1 (4.7) và 4.5 (5.2), (giá trị bên ngoài dấu ngoặc là tại nhịp, bên trong dấu ngoặc là tại gối). Mức độ chệnh lệch này tăng khi số lƣợng tầng hầm tăng. Bên cạnh đó, độ chênh lệch moment tại gối luôn lớn hơn nhịp. Vì vậy, công trình càng có nhiều tầng hầm sâu, giá trị moment do áp lực đẩy nổi gây ra càng lớn, vì càng xuống sâu áp lực nƣớc đẩy nổi càng tăng. 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 trí cốt thép hợp lý. Khi bỏ qua áp lực đẩy nổi trong thiết kế dễ dẫn đến hiện tƣợng nứt sàn hầm do ứng suất kéo xuất hiện mà tại đó không đƣợc bố trí cốt thép đủ để tham gia chịu kéo, nƣớc sẽ thấm qua các vết nứt gây ngập úng tầng hầm, rỉ sét cốt thép và thậm chí có thể không đảm bảo khả năng chịu lực cho kết cấu. Khi nghiên cứu ảnh hƣởng của thời tiết đến tác động của áp lực nƣớc đẩy nổi đối với sàn tầng hầm cho kết quả là nội lực mùa mƣa lớn hơn mùa khô. Cụ thể, sự chênh lệch giá trị moment giữa mùa mƣa và mùa khô tại khu vực Quận 2, TP. Hồ Chí Minh khoảng 6.5 lần đối với công trình có 2 tầng hầm. Gía trị chênh lệch này là 2 lần đối với công trình có 3 tầng hầm, ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 83 1.5 lần đối với công trình có 4 tầng hầm và 1.4 lần đối với công trình có 5 tầng hầm. 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 trí cốt thép hợp lý. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] TCVN 2737:1995, Tải trọng và 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