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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (7.07 MB, 7 trang )

(1)<div class='page_container' data-page=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 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 khơng thấm nƣớc, lớp dƣới có một tầng
chứa nƣớc có áp hoặc tầng chứa nƣớc khơng
phải là nƣớc có áp, nhƣng do q trình thi cơng
đã hình thành chênh lệch cột nƣớc trong và
ngồi 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 khơng đƣợc bố trí cốt thép
hợp lý để tham gia chịu kéo, nƣớc sẽ thấm qua

*

Bộ mơn Địa cơ - Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, 
Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học uốc Gia 
ThànhPhố Hồ Chí Minh

Email:

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).

</div>
(2)<div class='page_container' data-page=2>

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 mơ 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
cơng 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
khơng 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 khơng đổi

Để mức độ đánh giá có tính phổ biến, tác giả
sử dụng các ơ sàn có nhịp từ 3m, 4m, 5m, 6m
đến 7m để phân tích. Bảng 1 trình bày các thơng
số đầu vào cho các mơ hình xét.

Bảng 1: Bảng thông số đầu vào dùng trong 
mô phỏng

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 là 
-2.000m so với mặt đất tự nhiên.

Các hình 3-6 nêu rõ cách khai báo các thơng
số. Các hình 7, 8 là kết quả hình dạng moment
sàn cho 2 trƣờng hợp có và khơng có đẩy nổi.

Hình 3: Mơ hình ơ sàn trong SAFE 2016

Hình 4: Khai báo tải trọng hồn thiện

</div>
(3)<div class='page_container' data-page=3>

Hình 6: Khai báo tải đẩy nổi

Hình 7: Moment sàn ứng với tổ hợp 1 
 - khơng 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):

Ơ sàn có nhịp 3m:

Hình 9: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và khơng xét đẩy nổi (nhịp 3m)

Ơ sàn có nhịp 4m:

Hình 10: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và khơng xét đẩy nổi (nhịp 4m)

</div>
(4)<div class='page_container' data-page=4>

Hình 11: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và khơng xét đẩy nổi (nhịp 5m)

Ơ sàn có nhịp 6m:

Hình 12: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và khơng xét đẩy nổi (nhịp 6m)

Ơ sàn có nhịp 7m:

Hình 13: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và khơng xét đẩy nổi (nhịp 7m)

</div>
(5)<div class='page_container' data-page=5>

tồn 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.Cơng
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 cơng 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/m2)

Áp lực nƣớc 
đẩy nổi mùa 
mƣa (kN/m2

)

Áp lực nƣớc 
đẩy nổi mùa 
khô (kN/m2)

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

</div>
(6)<div class='page_container' data-page=6>

Để mức độ đánh giá có tính phổ biến, tác giả
sử dụng các ơ sàn có nhịp từ 3m, 4m, 5m, 6m
đến 7m.

Cơng 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 cơng trình có 2
tầng hầm. Gía trị chênh lệch này là 2 lần đối với
cơng trình có 3 tầng hầm, 1.5 lần đối với cơng
trình có 4 tầng hầm và 1.4 lần đối với cơng 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 cơng
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 khơ. 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

này vào quy trình thiết kế kết cấu. Từ đó cho ra
biểu đồ nội lực để tính tốn tiết diện cấu kiện
cũng nhƣ bố trí cốt thép tại vị trí hợp lý, phịng

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 (khơng
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 cơng 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, cơng 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 tốn 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 khơng 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 khơng đảm bảo khả
năng chịu lực cho kết cấu.

</div>
(7)<div class='page_container' data-page=7>

1.5 lần đối với cơng 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 tốn 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

</div>