Phân tích ổn định tường vây tầng ngầm thuộc dự án khu phức hợp khách sạn bạch đằng có xét tải trọng động đất

Trong những năm gần đây, trên thế giới đã xảy ra rất nhiều trận động đất lớn như tại Indonesia ( năm 2012), Nhật Bản ( năm 2011), Tứ Xuyên Trung Quốc ( năm 2008), Iran ( năm 2004), Ấn Độ ( năm 2001), Đài Loan ( 1999)... Ở Việt Nam chúng ta, động đất cũng thường xuyên xuất hiện. Đặc biệt, trong năm 2012 đến nay, xung quanh khu vực thủy điện Sông Tranh 2 thuộc huyện Bắc Trà My, tỉnh Quảng Nam, đã xảy ra liên tiếp các trận động đất. Hậu quả của các trận động đất là gây thiệt hại nghiêm trọng về tính mạng của con người cũng như tài sản vật chất của xã hội. Trong bối cảnh các đô thị lớn ở nước ta đang phát triển mạnh mẽ thì nhu cầu về nhà ở, làm việc và giải trí là hết sức cấp thiết. Chính vì vậy, khu phức hợp là một trong những giải pháp kiến trúc hiệu quả để đáp ứng nhu cầu của người dân đô thị trong bối cảnh dân số tăng trưởng nhanh . Do đó, việc xây dựng khu phức hợp ngày càng nhiều về số lượng lẫn quy mô là việc rất cần thiết. Bên cạnh đó, việc khai thác và sử dụng một cách có hiệu quả không gian dưới mặt đất của các công trình này cũng đang là xu thế tất yếu. Những công trình khai thác tầng ngầm chẳng hạn như hệ thống bãi đổ xe ngầm hoặc một phần công trình dưới mặt đất như tầng hầm của công trình..., ngoài việc chịu tác động các tải trọng bên trên còn chịu áp lực đất, nước ngầm và áp lực tăng thêm do động đất gây ra trong quá trình xây dựng và sử dụng. Vì vậy, khi tính toán kết cấu chịu tải trọng, ngoài các loại tải trọng thông thường cần phải xem xét tác dụng của động đất gây ra.Ổn định của công trình ngầm là một trong những yếu tố rất quan trọng quyết định đến khả năng chịu lực của hệ kết cấu khi có động đất xảy ra. Nhằm tìm hiểu tác động do động đất gây ra ảnh hưởng đến công trình ngầm , Tôi chọn đề tài: “Phân tích ổn định tường vây tầng ngầm thuộc dự án khu phức hợp khách sạn Bạch Đằng có xét tải trọng động đất ”.

MỞ ĐẦU

1 LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI

Trong những năm gần đây, trên thế giới đã xảy ra rất nhiều trận động đất lớn như tại Indonesia ( năm 2012), Nhật Bản ( năm 2011), Tứ Xuyên- Trung Quốc ( năm 2008), Iran ( năm 2004), Ấn Độ ( năm 2001), Đài Loan ( 1999) Ở Việt Nam chúng ta, động đất cũng thường xuyên xuất hiện Đặc biệt, trong năm

2012 đến nay, xung quanh khu vực thủy điện Sông Tranh 2 thuộc huyện Bắc Trà

My, tỉnh Quảng Nam, đã xảy ra liên tiếp các trận động đất Hậu quả của các trận động đất là gây thiệt hại nghiêm trọng về tính mạng của con người cũng như tài sản vật chất của xã hội

Trong bối cảnh các đô thị lớn ở nước ta đang phát triển mạnh mẽ thì nhu cầu về nhà ở, làm việc và giải trí là hết sức cấp thiết Chính vì vậy, khu phức hợp

là một trong những giải pháp kiến trúc hiệu quả để đáp ứng nhu cầu của người dân đô thị trong bối cảnh dân số tăng trưởng nhanh Do đó, việc xây dựng khu phức hợp ngày càng nhiều về số lượng lẫn quy mô là việc rất cần thiết Bên cạnh

đó, việc khai thác và sử dụng một cách có hiệu quả không gian dưới mặt đất của các công trình này cũng đang là xu thế tất yếu Những công trình khai thác tầng ngầm chẳng hạn như hệ thống bãi đổ xe ngầm hoặc một phần công trình dưới mặt đất như tầng hầm của công trình , ngoài việc chịu tác động các tải trọng bên trên còn chịu áp lực đất, nước ngầm và áp lực tăng thêm do động đất gây ra trong quá trình xây dựng và sử dụng

Vì vậy, khi tính toán kết cấu chịu tải trọng, ngoài các loại tải trọng thông thường cần phải xem xét tác dụng của động đất gây ra.Ổn định của công trình

ngầm là một trong những yếu tố rất quan trọng quyết định đến khả năng chịu lực của hệ kết cấu khi có động đất xảy ra Nhằm tìm hiểu tác động do động đất gây

ra ảnh hưởng đến công trình ngầm , Tôi chọn đề tài:

“Phân tích ổn định tường vây tầng ngầm thuộc dự án khu phức hợp khách sạn Bạch Đằng có xét tải trọng động đất ”

2 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU:

- Xây dựng mô hình phân tích ổn định của hệ tường vây tầng ngầm có xét tải trọng động đất

- Từ đó phân tích ổn định của hệ tường vây tầng ngầm có xét tải trọng động đất

3 ĐỐI TƯỢNG VÀ PHẠM VI NGHIÊN CỨU

- Đối tượng nghiên cứu : Tường vây tầng ngầm khu phức hợp khách sạn Bạch Đằng

- Phạm vi nghiên cứu : Tường vây tầng ngầm khu phức hợp khách sạn Bạch Đằng có xét tải trọng động đất

4 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

- Nghiên cứu lý thuyết và ứng dụng vào phân tích ổn định của hệ tường vây tầng ngầm có xét tải trọng động đất

- Sử dụng phần mềm kết cấu Sap2000 để phân tích hệ kết cấu, từ đó xác định các thông số cơ bản

5 CẤU TRÚC CỦA LUẬN VĂN

Chương 1: Tổng quan về hệ thống tường vây tầng ngầm trong xây dựng

Chương 2: Lý thuyết tính toán ổn định tường vây

Chương 3: Áp dụng phân tích ổn định tường vây tầng ngầm thuộc dự án khu phức hợp khách sạn bạch đằng có xét tải trọng động đất

CHƯƠNG I.TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG TƯỜNG VÂY TẦNG

- Tên của loại kết cấu này thường được gọi như sau:

Tiếng Việt: tường vây hay tường trong đất

Tiếng Anh: Diaphragm wall

Tiếng Pháp: Paroi moulée dans le sol

Tiếng Nga: CTEHA TPYHTE [1]

- Tường vây thường làm bằng bê tông đá 1x2 mác 250-450 (khoảng 450 kg Xi măng cho 1 3

m bê tông)

- Cốt thép thường sử dụng loại AI-AII

Thép dọc thường dùng loại AII

Thép đai thường dùng loại AI-AII [3]

- Kích thước hình học của tường vây: Tiết diện ngang của tường thông dụng nhất

là hình chữ nhật, hình chữ L.Chiều rộng của tường phụ thuộc vào yêu cầu của công trình, chiều sâu phải đủ dài để cắm vào lớp đất tốt

- Tường vây được sử dụng để làm tường hầm cho nhà cao tầng, các công trình ngầm như: đường tàu điện ngầm, đường cầu chui, cống thoát nước lớn, các gara

ô tô ngầm dưới đất v.v… [2]

1.1.2 Tầm quan trọng của tường vây tầng ngầm trong xây dựng

Ở các nước công nghiệp phát triển, điển hình là Việt Nam, nhu cầu về không gian sinh hoạt và làm việc ngày càng tăng cao đã kéo theo một loạt các hoạt động dịch vụ càng làm cho diện tích xây dựng trở nên hạn hẹp Vì vậy việc phát triển không gian xây dựng theo chiều cao và chiều sâu là xu hướng tất yếu của xây dựng đô thị trong nước nói riêng và trên thế giới nói chung Do chiều cao phần nổi thường bị hạn chế trong qui hoạch xây dựng đô thị nên cần phát triển phần ngầm để đáp ứng các nhu cầu:

- Thêm diện tích sử dụng cho các phần kỹ thuật

- Chôn sâu phần móng tạo sự ổn định công trình

- Tăng thêm không gian sử dụng cho công trình do chiều cao phần nổi bị hạn chế theo qui hoạch độ cao của khu vực

Tuy nhiên, việc phát triển xây dựng theo chiều sâu đã nảy sinh rất nhiều những yếu tố không thuận lợi:

- Gây ảnh hưởng lớn tới các công trình lân cận

- Việc thi công phần ngầm có chiều sâu càng lớn càng vô cùng khó khăn, đặc biệt là các công trình xây chen trong đô thị

Tường vây là giải pháp hữu hiệu khi phải xây dựng các tầng hầm của công trình

Việc thiết kế tầng hầm sử dụng tường vây có một số ý nghĩa như sau:

1.1.2.1 Về mặt kết cấu

Nhà cao tầng thường có tải trọng rất lớn nên gây ra áp lực rất lớn lên nền và móng Vì vậy, khi sử dụng tường vây ta đã truyền một phần tải trọng khá lớn của công trình xuống nền đất sâu (khoảng 30 60m) nơi đất nền có khả năng chịu lực tốt hơn nhiều lần Thêm vào đó, với chiều sâu lớn như vậy thường nằm dưới mực nước ngầm (đúng với hầu hết trường hợp các công trình tại Việt Nam), khi

đó, do tác dụng của lực đẩy Archimedes có xu hướng đẩy nổi công trình, qua đó làm giảm một phần tải trọng truyền xuống nền đất

Tường vây không những có tác dụng làm hạ thấp trọng tâm của cả khối nhà cao tầng để tăng mức độ ổn định của công trình (một yếu tố vô cùng quan trọng khi tính toán thiết kế nhà cao tầng), mà còn tham gia chịu một phần khá lớn nội lực gây ra bởi tải trọng ngang (động đất, gió động….)

1.1.2.2 Về mặt thi công

Tường vây chính là một bộ phận quan trọng của công nghệ thi công Down, công nghệ đang được sử dụng rất phổ biến khi thi công các công trình nhà cao tầng trong khu vực đô thị Việc sử dụng tường vây đã giải quyết được một vấn đề vô cùng hóc búa khi thi công tầng hầm nhà cao tầng, đó là công tác thi công đào đất cho hố đào có chiều sâu lớn đến rất lớn Tường vây không chỉ đóng vai trò làm kết cấu chắn đất mà còn có nhiệm vụ chống rò rỉ nước, chống thấm cho hố đào trong quá trình thi công đào đất

Top-Bên cạnh đó, trong điều kiện xây dựng đô thị, đồng nghĩa với việc các công trình cao tầng được xây chen là vô cùng phổ biến, thêm vào đó là điều kiện địa

chất không tốt, khó lường và kém ổn định thì việc lựa chọn tường vây cho công tác thiết kế và thi công là vô cùng hợp lý để có thể đáp ứng các nhu cầu về thi công và giảm thiểu nguy cơ ảnh hưởng đến các công trình lân cận

1.1.2.3 Về mặt sử dụng

- Sử dụng tường vây làm kết cấu chống thấm cho tầng hầm công trình

- Sử dụng tường vây làm kết cấu chống đỡ áp lực đất tác dụng lên tầng hầm

- Sử dụng tường vây giúp tăng khả năng cách âm, cách nhiệt nhờ bề dày khá lớn

1.1.2.4 Về mặt an ninh quốc phòng

Các công trình có tầng hầm sử dụng tường vây làm kết cấu bao che thường khá kiên cố nhờ bề dày và khả năng chịu lực khá lớn của tường nên có thể sử dụng là công sự khi có chiến tranh, làm hầm chứa trang thiết bị, khí tài quân sự thậm chí là chống chịu chiến tranh oanh tạc hiện đại

Qua đó ta có thể khẳng định việc xây dựng các công trình sử dụng tường vây

là hợp lý và cần thiết Thiết kế và thi công các công trình cao tầng có tầng hầm

sử dụng tường vây phải trở thành một công việc quen thuộc trong ngành xây dựng Việt Nam Nhà có tầng hầm sử dụng tường vây đảm bảo được yêu cầu vệ sinh môi trường, hạn chế tiếng ồn, sử dụng đa chiều và giải quyết được vấn đề tiết kiệm đất xây dựng Từ đó cho thấy việc sử dụng tường vây cho các nhà cao tầng ở thành phố lớn là một nhu cầu thực tế và ưu việt trong ngành xây dựng [4]

1.1.3 Ưu điểm và nhược điểm của tường vây tầng ngầm

1.1.3.1 Ưu điểm

- Thi công được các công trình ngầm có độ sâu lớn

- Thích dụng trong mọi điều kiện địa chất, đặc biệt trong các vùng đất yếu,

mực nước ngầm cao

- Là biện pháp thi công hầu như là duy nhất để xây dựng trong điều kiện thành phố chật hẹp, xây xen do khi thi công hạn chế chấn động, tiếng ồn, dễ khống chế về biến dạng lún, ít ảnh hưởng các công trình xây dựng và đường ống ngầm ở lân cận xung quanh

- Giảm khối lượng thi công, có thể thi công theo phương pháp ngược (top - down) có lợi cho việc tăng nhanh tốc độ thi công, hạ thấp giá thành công trình

- Tường vừa có thể dùng làm kết cấu bao che ở độ sâu lớn lại có thể kết hợp làm kết cấu chịu lực, làm móng cho công trình trong những điều kiện nhất định

1.1.3.2 Nhƣợc điểm:

- Thi công theo phương pháp tường vây yêu cầu về máy móc, trang thiết bị thi công đồng bộ cao, mỗi loại tường cần một loại thiết bị thi công phù hợp vì vậy đòi hỏi đầu tư ban đầu lớn

- Mỗi loại kết cấu chỉ phù hợp với một số chiều sâu hố đào và loại địa chất nhất định, vì vậy việc lựa chọn kết cấu tường không phù hợp có thể làm ảnh hưởng rất lớn đến độ an toàn và giá thành thi công

- Việc sử lý bùn thải không những làm tăng chi phí cho công trình mà khi

kỹ thuật phân ly bùn không hoàn hảo hoặc xử lý không thoả đáng sẽ làm cho môi trường bị ô nhiễm

- Do trong quá trình thi công, các lớp đất có kẹp lớp đất cát tơi xốp, mềm yếu mà tính chất dung dịch giữ thành không thích hợp hoặc đã bị biến chất dẫn đến sụt lở thành làm cho thể tích bê tông thân tường tăng lên đáng kể, mặt tường

bị lồi lõm, kích thước kết cấu vượt quá giới hạn cho phép

1.1.4 Phạm vi ứng dụng

Thực tế xây dựng trên thế giới và ở Việt Nam cho thấy phương pháp tường

vây có thể áp dụng hiệu quả khi xây dựng các loại công trình sau:

- Các công trình dân dụng có phần ngầm như: gara, trung tâm thương mại, kho chứa, rạp chiếu phim, nhà hát Phần ngầm các nhà cao tầng như móng, các tường chắn kết cấu chắn giữ những toà nhà được xây gần những công trình có sẵn

- Các công trình công nghiệp như phân xưởng nghiền của nhà máy làm giàu quặng, các phân xưởng đúc thép liên tục, các hố nhận nguyên liệu, các phễu để

Tường vây có thể sử dụng đồng thời làm móng chịu tải trọng phần trên trong những điều kiện sau:

- Tường tựa trên đá cứng hoặc đất tốt, tức là khi tường có thể làm việc như

vách

- Tường được xây dựng gần sát liền với móng của những nhà đã có, mà độ bền của những móng này có thể bị phá hoại khi xây dựng các móng cọc đóng [1] [4]

Ưu điểm của phương pháp này là kinh tế, thi công nhanh, không có chất thải, lượng xi măng khống chế điều chỉnh chính xác, không có độ lún thứ cấp (nếu làm nền) không gây dao động đến công trình lân cận, thích hợp với đất có độ ẩm cao (> 75%) Kết cấu loại này không thấm nước không phải đặt thanh chống tạo điều kiện cho đào kết cấu chắn giữ được dễ dàng, hiệu quả kinh tế cao

Tuy nhiên chỉ phù hợp với hố đào có chiều sâu từ 5 - 7m, không phù hợp với những hố đào có chiều sâu lớn hơn

Phương pháp trộn dưới sâu thích hợp với các loại đất được hình thành từ các nguyên nhân khác nhau như đất sét dẻo bão hòa, bao gồm bùn nhão, đất bùn, đất sét và đất sét bột

Ngoài chức năng giữ ổn định thành hố đào, cọc trộn xi măng đất còn được

sử dụng trong các trường hợp sau:

- Giảm độ lún công trình;

- Tăng khả năng chống trượt mái dốc;

- Tăng cường độ chịu tải của nền đất;

- Giảm ảnh hưởng chấn động đến công trình lân cận;

- Tránh hiện tượng hoá lỏng của đất rời;

- Cô lập phần đất bị ô nhiễm

Phương pháp này xuất hiện đầu tiên tại Mỹ sau đó được một số nước như Nhật Bản, Trung Quốc phát triển Tại Việt Nam đầu những năm 80 kỹ thuật này của hãng Linden - Alimak đã được áp dụng làm cọc ximăng/vôi đất đường kính 40cm, sâu 10m cho các công trình nhà 3 - 4 tầng, hiện nay Linden - Alimak và Hercules (Thụy Điển) liên doanh làm loại cọc này sâu đến 20m bằng hệ thống tự động từ khâu khoan, phun xi măng và trộn tại khu công nghiệp Trà Nóc (Cần Thơ) [6]

1.1.5.2 Tường bằng cọc hàng:

Hình 1.2 Tường chắn bằng cọc bê tông cốt thép

Khi thi công công trình ngầm tại những chỗ không tạo được mái dốc hoặc hiện trường hạn chế không thể dùng cọc trộn được, khi chiều sâu công trình khoảng 6 - 10m thì có thể chắn giữ bằng cọc hàng Chắn giữ bằng cọc hàng có thể dùng cọc nhồi khoan lỗ, cọc bản BTCT hoặc cọc bản thép

Kết cấu chắn giữ bằng cọc hàng có thể chia làm các loại sau:

- Chắn giữ bằng cọc hàng theo kiểu dãy cột: Khi đất quanh hố tương đối tốt, mực nước ngầm thấp, có thể lợi dụng hiệu ứng vòm giữa hai cọc gần nhau để chắn đất

- Chắn giữ bằng cọc hàng liên tục: Trong đất yếu thường không thể hình thành được vòm đất, cọc chắn giữ phải thành hàng liên tục Cọc khoan lỗ dày liên tục có thể chồng tiếp vào nhau hoặc cọc bản thép, cọc bản BTCT

- Chắn giữ bằng cọc hàng tổ hợp: Trong vùng đất yếu mà có mực nước ngầm cao có thể dùng cọc hàng khoan nhồi tổ hợp với tường chống thấm bằng cọc

xi măng đất

Ưu điểm của phương pháp này là chất lượng vật liệu tin cậy, tốc độ thi công nhanh, thi công đơn giản, khả năng ngăn nước tốt Đối với loại cọc tạm thời có thể nhổ lên dùng lại nhiều lần, giá thành hạ Đối với loại cọc bằng BTCT có thể được dùng như kết cấu vĩnh viễn, độ cứng chống uốn lớn, độ dịch chuyển nhỏ ở đầu cọc

Nhược điểm là chiều dài hạn chế nên không thể ứng dụng cho những công trình ngầm có độ sâu lớn Quá trình thi công có thể ảnh hưởng đến móng hoặc các công trình ngầm xung quanh, không dùng được trong điều kiện thành phố có xây chen

Căn cứ vào thực tiễn thi công ở vùng đất yếu, với độ sâu hố đào < 6m, khi điều kiện hiện trường có thể cho phép thì áp dụng kiểu tường chắn bằng cọc BTCT đúc sẵn hoặc cọc bản thép là lý tưởng hơn cả Với hố đào có độ sâu 6 - 10m thường dùng cọc khoan lỗ 800 - 1000mm, phía sau có cọc trộn dưới sâu hoặc bơm vữa chống thấm, đặt 2 - 3 tầng thanh chống, số tầng thanh chống tuỳ theo tình hình địa chất hoàn cảnh xung quanh và yêu cầu biến dạng của kết cấu

mà xác định Kết cấu loại này đã ứng dụng thành công ở hố đào có độ sâu tới 13m [6]

1.1.5.3 Tường liên tục trong đất:

Hình 1.3 Chắn giữ bằng tường liên tục trong đất

Công nghệ thi công tường liên tục trong đất là dùng các máy đào đặc biệt

để đào móng có dung dịch giữ thành (như sét bentonite) thành những đoạn hào với độ dài nhất định; sau đó cẩu lắp lồng cốt thép đã chế tạo sẵn trên mặt đất vào trong móng Dùng ống dẫn đổ bê tông trong nước cho từng đoạn tường, nối các đoạn tường với nhau bằng các đầu nối đặc biệt (như ống đầu nối hoặc hộp đầu nối), hình thành một bức tường liên tục trong đất bằng bê tông cốt thép Tường liên tục trong đất quây lại thành đường khép kín, sau khi đào móng cho thêm hệ thống thanh chống hoặc thanh neo sẽ có thể chắn đất ngăn nước, rất tiện cho việc thi công móng sâu Nếu tường liên tục trong đất lại kiêm làm kết cấu chịu lực của công trình xây dựng lại càng có hiệu quả kinh tế cao hơn

Công nghệ tường liên tục trong đất có các ưu điểm sau đây:

- Thân tường có độ cứng lớn, tính tổng thể tốt, do đó biến dạng của kết cấu

và của móng đều rất ít, vừa có thể dùng được trong kết cấu bao che lại có thể dùng làm kết cấu chịu lực

- Thích dụng trong các loại điều kiện chất đất: Trong các lớp đất cát cuội hoặc khi phải vào tầng nham phong hoá thì cọc bản thép rất khó thi công, nhưng lại có thể dùng kết cấu tường liên tục trong đất thi công bằng các máy đào móng thích hợp

- Khi thi công chấn động ít, tiếng ồn thấp, ít ảnh hưởng các công trình xây dựng và đường ống ngầm ở lân cận xung quanh, dễ khống chế về biến dạng lún Đặc biệt thích hợp trong điều kiện đô thị chật hẹp, xây chen

- Có thể thi công theo phương pháp ngược (top - down), có lợi cho việc tăng nhanh tốc độ thi công, hạ thấp giá thành công trình

Nhưng, phương pháp thi công tường liên tục trong đất cũng có những nhược điểm cụ thể như sau:

- Không thể áp dụng trong đất có lẫn đá tảng kích thước lớn hoặc có hiện tượng castơ với các lỗ trống lớn, có mạch ngầm làm vữa sét chảy vào trong đất Trong bùn lỏng và cát chảy trên bề mặt hay trong đất nước áp lực với dòng thấm tốc độ lớn

- Việc xử lý bùn thải không những làm tăng chi phí cho công trình mà khi

kỹ thuật phân li bùn không hoàn hảo hoặc xử lý không thoả đáng sẽ làm cho môi trường bị ô nhiễm

- Khi mực nước ngầm dâng lên nhanh mà mặt dung dịch giữ thành giảm mạnh, trong tầng trên có kẹp lớp đất cát tơi xốp, mềm yếu, nếu tính chất dung dịch không thích hợp hoặc đã bị biến chất, việc quản lí thi công không thoả đáng, đếu có thể dẫn đến sụt lở thành móng, lún mặt đất xung quang, nguy hại đến sự

an toàn của các công trình xây dựng và được ống ở lân cận Đồng thời cũng có thể

làm cho thể tích bê tông thân tường bị tăng vọt lên, mặt tường lồi lõm, kích thước kết cấu vượt quá giới hạn cho phép

- Nếu dùng tường liên tục trong đất dạng bê tông cốt thép đổ toàn khối chỉ

để làm tường chắn đất tạm thời trong giai đoạn thi công thì giá thành khá cao, không kinh tế

Khi làm kết cấu chắn giữ sâu trên 10m trong tầng đất yếu, yêu cầu cao về chống lún và chuyển dịch của các công trình xây dựng và đường ống ở xung quanh, hoặc khi tường là một phần của kết cấu chính của công trình hoặc khi áp dụng phương pháp thi công ngược thì có thể dùng tường liên tục trong đất

Tại Việt Nam phương pháp này đã được sử dụng ở một số nơi nhưng chủ yếu tại các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh, Nha Trang như toà nhà VietcomBank Tower Hà Nội, khách sạn Phương Đông - Nha Trang Trong tương lai với điều kiện chật hẹp trong các thành phố cùng với yêu cầu về chiều sâu tầng hầm ngày càng tăng đây là giải pháp gần như duy nhất có thể áp dụng [6]

1.1.6 Nguyên tắc thiết kế tường vây

- An toàn tin cậy: Thiết kế phải đáp ứng tuyệt đối về yêu cầu cường độ, tính ổn định tổng thể của công trình, của hệ thống kết cấu Kết cấu phải chắc chắn biến dạng của tường không ảnh hưởng đến công trình lân cận

- Tính kinh tế : Khi đảm bảo điều kiện về an toàn, tin cậy của kết cấu chắn giữ thì xác định hiệu quả kinh tế của phương án trên cơ sở tổng hợp các yếu tố về thời gian, vật liệu, thiết bị nhân công và bảo vệ môi trường

- Thuận lợi thi công: Khi thiết kế tường vây nên có hình dáng đơn giản thuận tiện cho thi công, sử dụng công nghệ đơn giản phù hợp với máy móc thiết bị để thi công nhanh chóng, rút ngắn thời gian thi công đảm bảo an toàn lao động

- Tường Barrette là một bộ phận kết cấu công trình, là tường của tầng hầm Trong giai đoạn thi công tầng hầm tường vây là kết cấu chắn giữ ổn định cho hố đào, sau khi thi công xong tường vây là tường của tầng hầm [3]

1.1.7 Đặc điểm thiết kế của kết cấu tường vây

- Tính không xác định của ngoại lực: Ngoại lực tác dụng lên tường như áp lực đất chủ động, áp lực đất bị động, tải trọng trên mặt đất xung quanh thành hố đào

sẽ thay đổi, phụ thuộc vào điều kiện thời tiết, phương pháp thi công, giai đoạn thi công

- Tính không xác định của biến dạng: Kiểm soát biến dạng là một yêu cầu quan trọng của thiết kế tường vây, nhưng có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến biến dạng này như độ cứng của tường chắn, cách bố trí khoảng cách thanh chống, tính chất của đất nền, cao độ của nước ngầm, phương pháp thi công

- Tính không xác định của đất: Tính không đồng nhất của đất nền,đất nền với nhiều tầng nhiều lớp thay đổi phức tạp không có qui luật hơn nữa số liệu địa chất có nhiều phương pháp xác định khác nhau ( như thí nghiệm ngoài hiện trường, trong phòng, cắt có hoặc không thoát nước ) tùy theo mẫu đất lấy ở những vị trí, giai đoạn thời gian thi công khác nhau của hố móng thì tính chất của đất cũng thay đổi, sự tác động của đất nền lên kết cấu từ đó cũng thay đổi

- Những yếu tố ngẫu nhiên dẫn đến sự thay đổi: Những thay đổi của thời tiết, những hệ thống chôn ngầm có sẵn trong đất ảnh hưởng đến việc thi công của hố đào [3]

1.2.XU HƯỚNG ÁP DỤNG TƯỜNG VÂY TRÊN THẾ GIỚI VÀ VIỆT NAM

Trước đây, để xây dựng các công trình ngầm, người ta thường dùng các phương pháp xây dựng đắt tiền như đào hở, đóng cọc cừ, hạ mực nước ngầm,

đóng băng đất mà chiều sâu không được lớn, làm ảnh hưởng tới các công trình lân cận khi xây xen trong thành phố

Từ sau năm 1940, kết cấu “tường vây” được bắt đầu nghiên cứu áp dụng

và vào những năm bảy mươi của thế kỷ XX phương pháp này được áp dụng rộng rãi trên toàn thế giới, điều đó tạo điều kiện cho việc hoàn thiện quy trình công nghệ và tính toán kết cấu Đây là một trong những phương pháp thi công tiến bộ nhất để xây dựng các công trình ngầm và là phương pháp tốt nhất để xây dựng các công trình ngầm có độ sâu lớn trong các thành phố có mật độ xây dựng dày đặc

1.2.1 Xu hướng áp dụng tường vây trên thế giới

Trên thế giới, hầu hết các công trình nhà cao tầng đều được xây dựng với các tầng hầm phục vụ cho nhu cầu sử dụng Ở Châu Âu do đặc điểm nền đất tương đối tốt, mực nước ngầm thấp, kỹ thuật xây dựng tiên tiến và nhu cầu sử dụng cao nên hầu như nhà cao tầng nào cũng có tầng hầm, thậm chí các siêu thị chỉ có 2-3 tầng nhưng cũng có tới 2-3 tầng hầm

Ở Châu Á nói chung nhà cao tầng có tầng hầm chưa phải là nhiều, nhưng ở một số nước và vùng lãnh thổ như Hồng Kông, Đài Loan, Trung Quốc, Hàn Quốc, số lượng nhà cao tầng có tầng hầm cũng chiếm tỉ lệ khá cao Hầu hết những công trình có trên 3 tầng hầm đều sử dụng kết cấu tường vây đóng vai trò vừa là kết cấu chắn đất trong quá trình thi công phần ngầm, vừa là 1 kết cấu chịu lực quan trọng của công trình xây dựng Việc áp dụng kết cấu tường vây để xây dựng các công trình ngầm trong các khu đô thị phổ biến như:

- Tại thành phố như Tokyo (Nhật Bản) các nhà cao tầng phải có ít nhất từ 5 đến 8 tầng hầm

- ở Thượng Hải (Trung Quốc) thường thấy có 2 đến 3 tầng hầm dưới mặt đất ở

các nhà cao tầng, có nhà đã thiết kế đến 5 tầng hầm có kích thước lớn nhất đến 274x187m, kết cấu chắn giữ sâu tới 32m

- Tại Matxcơva (Nga) đã xây dựng gara có kích thước 156x54m, sâu 27m - Tại Geneve (Thụy sĩ) một gara ngầm 7 tầng sâu 28m đã được xây dựng

Một số công trình tiêu biểu xây dựng ở một vài nơi trên thế giới:

Tòa nhà Chung-yan (Đài Loan) 19 tầng :Tường vây và ba tầng hầm

Tai Power (Đài Loan) 27 tầng : Tường vây và bốn tầng hầm

Tòa nhà Chung-hava (Đài Loan) 16 tầng : Tường vây và ba tầng hầm

Tòa nhà Chung-wei (Đài Loan) 20 tầng : Tường vây và bốn tầng hầm

Cental Plaza (Hồng Kông) 75 tầng : Tường vây và ba tầng hầm

Chichang (Đài Loan) 14 tầng : Tường vây và ba tầng hầm

Thư viện Anh : Tường vây và bốn tầng hầm

Commerce Bank 56 tầng : Tường vây và ba tầng hầm

Tòa nhà Đại Lầu Điện Tín (Thượng Hải) 17 tầng : Tường vây và ba tầng hầm

1.2.2 Xu hướng áp dụng tường vây ở Việt Nam

Ở Việt Nam, ngay từ đầu những năm trước 1990, nhu cầu xây dựng các công trình có một hay nhiều tầng hầm đã khá lớn nhưng do công nghệ thi công tại Việt Nam vào thời điểm chưa đáp ứng được nhu cầu phức tạp được đề ra nên số lượng công trình có tầng hầm và sử dụng tường vây hầu như chưa có

Từ sau những năm 1990 cho đến nay, cùng với sự phát triển vượt bậc về công nghệ của ngành xây dựng, kết cấu tường vây được áp dụng rất hiệu quả trong việc xây dựng các công trình ngầm nhằm đáp ứng nhu cầu sử dụng không gian trong lòng đất ở các thành phố đông dân cư với điều kiện địa chất và địa chất

thuỷ văn rất phức tạp để giải quyết các vấn đề liên quan đến giao thông đô thị, xây dựng các gara ô tô, nhà cao tầng trong thành phố, các khu đô thị mới, hạ tầng các khu công nghiệp Một số công trình nhà cao tầng sử dụng tường vây

đã và đang được xây dựng như:

- Toà nhà Harbour View Tower ở thành phố Hồ Chí Minh gồm 19 tầng lầu

và 2 tầng hầm, có kết cấu chắn giữ sâu 10m, đã dùng tường vây sâu 42m dày 0,6m vây quanh mặt bằng kết cấu chắn giữ 25x27m

- Trụ sở Vietcombank Hà Nội cao 22 tầng và 2 tầng hầm có kết cấu chắn giữ sâu 11m dùng tường vây sâu 18m dày 0,8m

- Nhà máy Apatit Lao Cai, nhà máy xi măng Bỉm Sơn hay nhà máy nhiệt điện Phả Lại đã có những kho, hầm hay tuynen vận chuyển nguyên liệu đặt sâu trong đất từ 5 đến 20m

Một số công trình tiêu biểu nhƣ:

* Tại Hà Nội

Toà nhà Vietcombank số 198 Trần Quang Khải : Tường vây và hai tầng hầm Tòa tháp đôi VinCom, 191 Bà Triệu : Tường vây và hai tầng hầm

Sunway Hotel số 19 Phạm Đình Hổ : Tường vây và hai tầng hầm

Nhà ở tiêu chuẩn cao kết hợp với văn phòng và dịch vụ số 27 Láng Hạ : Tường vây và hai tầng hầm

Kho bạc nhà nước Hà Nội, 32 Cát Linh : Tường vây và hai tầng hầm

Tháp ngân hàng đầu tư và phát triển Việt Nam (BIDV) số 194 Trần Quang Khải: Tường vây và hai tầng hầm

Công trình Hà nội City Complex : Tường vây và ba tầng hầm

Tổ hợp nhà ở đa năng làng quốc tế Thăng Long : Tường vây và hai tầng hầm

Chợ Hàng Da : Tường vây và hai tầng hầm

* Tại Thành phố Hồ Chí Minh

Khu căn hộ và văn phòng Sailing Tower : Tường vây và ba tầng hầm

Cao ốc căn hộ cao cấp BMC : Tường vây và hai tầng hầm

Harbour View Tower 35 Nguyễn Huệ Quận 1: Tường vây và hai tầng hầm Cao ốc văn phòng AGREX : Tường vây và ba tầng hầm

Sài Gòn Centre 65 Lê Lợi Quận 1: Tường vây và ba tầng hầm

Cao ốc Pacific số 43-45-47 Nguyễn Thị Minh Khai Quận 1: Tường vây và ba tầng hầm

1.3 KẾT LUẬN VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU CỦA LUẬN VĂN

Trong chương này, tác giả đã giới thiệu tổng quan về kết cấu tường vây và

xu hướng áp dụng kết cấu tường vây trên Thế giới và Việt Nam Kết cấu tường vây được ứng dụng ngày càng rộng rãi trong xây dụng công trình dân dụng, cầu đường, thủy lợi Trong luận văn này tập trung nghiên cứu phân tích ổn định tường vây tầng ngầm thuộc dự án Khu Phức Hợp Khách Sạn Bạch Đằng có xét tải trọng động đất Mô hình và cơ sở lý thuyết sẽ được trình bày trong chương 2

Áp dụng phân tích ổn định tường vây tầng ngầm thuộc dự án Khu Phức Hợp Khách Sạn Bạch Đằng có xét tải trọng động đất được trình bày trong chương 3

CHƯƠNG 2 LÝ THUYẾT TÍNH TOÁN ỔN ĐỊNH TƯỜNG VÂY

2.1 CÁC MÔ HÌNH TÍNH TOÁN TƯỜNG VÂY

Nội dung chính của việc tính toán tường là tính độ ổn định và cường độ của tường, tức là xác định chiều sâu của tường cắm vào trong đất và xác định tiết diện ngang hợp lý

2.1.1 Tính toán tường dạng conson

Tường bản conson dưới tác động của áp lực đất chủ động ở bên ngoài phía trên mặt hố móng Tường sẽ nghiêng về phía bên trong hố móng, còn phần dưới cọc

sẽ dịch chuyển theo chiều ngược lại Tức là tường sẽ quay quanh một điểm nào

đó ở dưới đáy hố móng, giả sử điểm đó là điểm b như hình vẽ Thân tường ở phía bên trên điểm b dịch chuyển về phía bên trái, thành bên phải của tường tính

từ điểm b trở lên chịu tác dụng của áp lực đất chủ động thành bên trái của tường

kể từ điểm b trở xuống chịu tác dụng của áp lực đất bị động

Hình 2.1 Sơ đồ dịch chuyển của tường Conson và phân bố áp lực đất

- Thiết lập phương trình cân bằng với các ngoại lực là áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động bằng cách chiếu lên phương ngang và lấy momen tại chân tường Giải hệ phương trình này sẽ có giá trị độ sâu chôn tường, từ đó xác định được

nội lực M max trong tường, xác định tiết diện, cốt thép trong tường Có các phương pháp tính toán đó là Phương pháp cân bằng tĩnh học, Phương pháp Blum, Phương pháp đường đàn hồi, phương pháp hệ số nền Winkler [6]

- Độ sâu của tường cắm vào trong đất tương đối nông, áp lực đất bị động ở phía trước cọc được phát huy toàn bộ cánh tay đòn của áp lực đất chủ động và cánh tay đòn của áp lực đất bị động ở điểm chống là bằng nhau Khi đó thân tường ở vào trạng tái cân bằng giới hạn, do đó sẽ có giá trị momen uốn dương Mmax ở trong nhịp là lớn nhất, nhưng độ sâu trong đất là nông nhất tmin Lúc này, áp lực đất bị động được lợi dụng toàn bộ, đầu dưới của tường có thể dịch chuyển sang trái một ít

- Độ sâu cắm vào trong đất của cọc được tăng lên, khi lớn hơn tmin thì áp lực đất

bị động ở phía trước cọc không được phát huy và lợi dụng toàn bộ, khi đó đầu dưới của cọc chỉ xoay một góc và ở nguyên vị trí chứ không sinh ra hiện tượng chuyển dịch, lúc này áp lực ở mũi cọc sẽ bằng không, áp lực đất bị động chưa được phát huy, có thể xem là độ an toàn được tăng lên

- Độ sâu cắm vào đất tiếp tục được tăng lên, trước tường và sau tường đều xuất hiện áp lực đất bị động, cọc cắm vào trong đất ở trạng thái ngàm chặt tương đương với dầm siêu tĩnh, đầu trên gối khớp đầu dưới ngàm chặt Momen uốn của

nó giảm đi nhiều và xuất hiện moomen âm dương cả hai chiều Trị tuyệt đối momen uốn ngàm M2 ở đầu dưới hơi nhỏ hơn moomen trong nhịp M1, điểm không áp lực và điểm không moomen khá giống nhau

- Độ sâu cắm vào trong đất của tường tăng lên thêm một bước nữa khi đó độ sâu cắm vào trong đất của tường được xem là quá sâu, đất bị động ở phía trước và phía sau tường không thể phát huy lợi dụng đầy đủ, nó không tạo ra được tác động lớn đối với việc giảm bớt momen trong nhịp Do đó tường cắm quá sâu vào trong đất thì không kinh tế [6]

* Tính tường 1 thanh chống với đầu tự do (phương pháp cân bằng)

- Mặt cắt kết cấu chắn giữ đầu tự do có một tầng chống, bên phải cọc là áp lực đất chủ động bên trái cọc là áp lực đất bị động Có thể dùng các phương pháp sau để xác định độ sâu tường cắm vào đất nhỏ nhất là tmin và lực chống cần thiết mỗi mét dài nằm ngang

- Như hình vẽ tính chộ dài bằng đơn vị chắn giữ, lấy momen đối với điểm A cho

- Trong đó: M Ea1, M Ea2 cánh tay đòn đối với điểm A của hợp lực áp lực đất chủ

động bên trên và bên dưới đáy hố móng M EP cánh tay đòn đối với điểm A của hợp lực áp lực đất bị động E 1, E 2 hợp lực áp lực đất chủ động bên trên và bên dưới đáy hố móng, E P Hợp lực áp lực đất bị động. [6]

* Phương pháp phân tích: Phương pháp này phân tích đồ giải để thiết kế tường

chắn 1 tầng chống theo trường hợp thứ 3 tức là xem tường chắn là một dầm, một

đầu cố định, một đầu là gối đơn giản để nghiên cứu [6]

Hình 2.2 Sơ đồ tính toán cân bằng tĩnh chắn giữ bằng cọc với 1 tầng chống

* Phương pháp dầm đẳng trị ( có tên gọi là dầm thay thế):

- Là phương pháp vẽ hình - phân tích đã giới thiệu trên được giản hóa Cọc cắm vào trong đất dưới đáy hố móng có hai loại là ngàm đàn hồi và ngàm cố định Ta nghiên cứu dầm liên kết một đầu ngàm đàn hồi, một đầu gối tựa đơn giản, hai bên tường có tác động tải trọng phân bố tức là có áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động, trong tính toán cần tìm 3 đại lượng, độ cắm sâu vào trong đất của tường, phản lực thanh chống, momen lớn nhất ở nhịp [6]

2.1.3 Tính toán tường có nhiều thanh chống

- Khi hố móng tương đối sâu, để giảm bớt momen uốn của tường chắn giữ có thể đặt nhiều tầng chống, số tầng chống phải được xác định trên cơ sở các yếu tố đất nền, độ sâu hố chiều dày của tường, cường độ vật liệu của kết cấu chắn giữ và yêu cầu của thi công

- Hiện nay có nhiều phương pháp tính kết cấu chắn giữ nhiều tầng chống thông thường nhất là Phương pháp dầm đẳng trị ( phương pháp dầm lien tục); Phương

pháp chia ½ tải trọng chống giữ, phương pháp lực chống không đổi khi đào, phương pháp phần tử hữu hạn [6]

* Phương pháp dầm liên tục

- Phần tính toán tường có 1 thanh chống đã tính toán theo phương pháp dầm đẳng trị, khi nhiều tầng chống thì phương pháp tính toán cũng tương tự như vậy, thường có thể tính theo dầm liên tục gối tựa cứng Đồng thời cũng tính toán theo mỗi giai đoạn thi công Lần lượt tính toán theo các giai đoạn như sau:

- Giai đoạn 1: Trước khi lắp chống A có thể coi tường chắn là tường conson ngàm trong đất

- Giai đoạn 2: Trước khi lắp chống B tường chắn là một dầm tĩnh định có 2 gối tựa, gối tựa 1 là chống A, gối tựa 2 là một điểm nằm trong đất có áp lực bằng không

- Giai đoạn 3: Trước khi lắp chống C tường chắn là một dầm liên tục có 3 gối tựa lần lượt là chống A, chống B và một điểm có áp lực bằng không nằm trong đất

- Giai đoạn 4: Trước khi đổ bê tông bản đáy tường là một dầm liên tục 3 nhịp 4 gối tựa [6]

* Phương pháp chia đôi tải trọng thanh chống

- Khi áp lực đất tác dụng phía sau tường chắn có thanh chống mà sử dụng biểu

đồ bao theo Terzaghi và Peck thì tính nội lực thanh chống hoặc thanh kéo và mô men trong tường có thể làm theo phương pháp kinh nghiệm sau đây

- Đơn giản cho là: lực trong mỗi thanh chống hoặc thanh kéo phải chịu tương ứng với giá trị tải trọng áp lực đất của 2 nửa nhịp kề nhau như thể hiện trong hình

- Cường độ áp lực đất là q, khi tính theo dầm liên tục, moomen gối tựa lớn nhất

* Phương pháp “m” (phương pháp hệ số nền)

- Khi sử dụng phương pháp này ta áp dụng phương pháp lực trong cơ học kết cấu, để tìm nội lực trong thanh kéo hoặc nén Thay các thanh chống bằng các phản lực R, thay hệ kết cấu siêu tĩnh bằng hệ cơ bản tĩnh định có các chuyển vị ở các gối tựa bằng không, và lập ra phương trình chính tắc Sau khi tính toán được phản lực, mô men trong các thanh chống thì ta thiết kế và tính toán được tiết diện ngang của tường [6]

2.1.4 Tính toán tường theo các giai đoạn thi công:

2.1.4.1Tính toán tường theo phương pháp Sachipana (nhật bản)

phương pháp này dựa trên kết quả đo đạc nội lực và biến dạng thực của tường làm căn cứ, cụ thể các giả thiết như sau:

- Sau khi đặt tầng chống/neo dưới, lực dọc trục của tầng chống/neo trên hầu như không đổi, hoặc thay đổi không đáng kể

- Chuyển dịch của thân tường từ điểm chống/neo dưới trở lên, phần lớn đã xảy ra trước khi lắp đặt tầng chống/neo dưới

- Giá trị mômen uốn trong thân tường do các điểm chống/neo trên gây nên chỉ là phần dư lại từ trước khi lắp đặt tầng chống/neo dưới

Hình 2.3 Sơ đồ quan hệ của chống với chuyển dịch của thân tường trong quá

trình đào đất

- Trên cơ sở các kết quả đo thức tế này, Sachipana đưa ra phương pháp tính lực dọc trục thanh chống/neo và mômen thân tường trong quá trình đào đất với những giả thiết cơ bản như sau (hình 2.4)

- Trong đất dính, thân tường xem là đàn hồi dài vô hạn

- Áp lực đất thân tường từ mặt đào trở lên phân bố hình tam giác, từ mặt đào trở xuống phân bố theo hình chữ nhật (do đã triệt tiêu áp lực đất tĩnh ở bên phía đất đào);

- Phản lực hướng ngang của đất bên dưới mặt đào chia thành hai vùng: vùng dẻo đạt tới áp lực đất bị động có chiều cao l và vùng đàn hồi có quan hệ đường thẳng với biến dạng của thân tường;

- Điểm chống được coi là bất động sau khi lắp thanh chống/neo;

- Sau khi lắp đặt tầng chống/neo dưới thì trị số lực dọc trục của tầng chống trên không đổi

Hình 2.4.Sơ đồ tính toán tải trọng theo phương pháp gần đúng của Sachipana

- Theo chiều cao toàn bộ tường có thể chia thành ba vùng: vùng từ hàng chống thứ k cho đến mặt đào, vùng dẻo và vùng đàn hồi từ mặt đào trở xuống, từ đó lập được phương trình vi phân đàn hồi cho trục tường Căn cứ vào điệu kiện biên và điều kiện liên tục ta có thể tìm được công thức tính lực dọc trục nk của tầng chống thứ k, cũng như công thức tính nội lực và chuyển vị của nó với những lập luận và giả thiết trên, kết quả tính toán nhận được khá chính xác, nhưng do công thức có chứa hàm bậc 5 nên tính toán phức tạp

- Để đơn giản tính toán, sau khi nghiên cứu Sachipana đã đưa ra phương pháp gần đúng nhưng đơn giải hơn với các giả thiết cơ bản sau

- Trong tầng đất sét, thân tường xem là thể đàn hồi dài hữu hạn đầu dưới đáy tự do;

- Giống phương pháp giải chính xác;

- Phản lực chống hướng ngang của đất lấy bằng áp lực đất bị động, trong đó (ξx+ δ) là trị số áp lực bị động sau khi trừ đi áp lực đất tĩnh

- Giống như phương pháp chính xác

- 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

- Phương pháp giải gần đúng chỉ cần dùng hai phương trình cân bằng tĩnh:

Các bước tính toán của phương pháp giải gần đúng này như sau:

- Ở giai đoạn đào thứ nhất, kí hiệu dưới chân của công thức (1) và công thức (2) lấy k=1, còn n1 lấy bằng không, từ công thức (2) tìm ra xm sau đó thay vào công thức (1) để tìm ra n1

- Ở sau giai đoạn đào thứ hai, kí hiệu dưới chân của công thức (1) và công thức (2) lấy k=2, còn n1 chỉ có một n1là số đã biết, từ công thức (2) tìm ra x m sau đó thay vào công thức (1) tìm ra n2

- Ở sau giai đoạn đào thứ ba, k =3, có hai ni , tức n1, n2 là số đã biết, từ công thức (2) tìm ra x m, sau đó thay vào công thức (1) tìm được n3

- Tiếp tục như vậy, sau khi tìm được lực dọc trục của các tầng thanh chống, nội lực thân tường cũng sẽ dễ dàng xác định

- Mô men thân tường trong phương pháp giải gần đúng (trừ phần mômen âm ra),

có hình dạng tương tự như phương pháp giải chính xác, trị số mômen lớn nhất lớn hơn phương pháp giải chính xác khoảng trên 10%, tức là thiên về an toàn

* Một số nhận xét về phương pháp Sachipana

Tính toán tương đối đơn giản nhưng độ chính xác không cao do:

- Dựa trên nhiều giả thiết chung chung chưa xét đầy đủ tính đặc thù của mỗi công trình cụ thể

- Tường bị dịch chuyển dưới tác đồng tổng hợp của áp lực đất theo phương ngang, phản lực thanh chống và phản lực đàn hồi của đất Phương pháp này mới chỉ đề cập được một cách rất sơ lược đến những yếu tố mang tính quyết định này

+ Để phù hợp với với giả thuyết tính- áp lực đất 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, tức các chỉ tiêu cơ lý của đất làm giá trị đầu vào là trị trung bình của các lớp đất Điều này làm giảm đáng kể độ tin cậy của phương pháp

+ Giả tuyết của phương pháp coi thanh chống là tuyệt đối cứng thực tế điểm nghiệm 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 đất quyết định bởi tính chất của đất, độ cứng thân tường, hình dạng mặt cắt tường, độ sâu của cọc trong đất Với giả thiết nền đất đồng nhất, thân tường tuyệt đối cứng nhằm đơn giản tính toán nhưng cũng làm giảm độ chính xác của phương pháp

- Nội lực thân tường thực tế còn phát triển đến hết chiều sâu tường ngàm trong đất, nhưng phương pháp này chỉ cho nội lực từ tầng chống cuối cùng trở lên, do vậy không có căn cứ nào để thiết kế phần tường ngàm vào đất

Mặc dù có những nhược điểm nêu trên phương pháp Sachipana khá đơn giản trong tính toán nên phù hợp với điều kiện đại chất đơn giản có thể sử dụng trong

giai đoạn thiết kế sơ bộ cho những tường vây có chiều sâu vừa phải (từ 2-3 tầng hầm) [8]

2.1.4.2 Tính toán tường theo phương pháp phần tử hữu hạn

Phương pháp phần tử hữa hạn được dùng phổ biến để phân tính kết cấu tường vây 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 không 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 công 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 vây và kết cấu bên trên xem là vỏ mỏng phẳng hoặc không 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 “lò xo” phụ thêm nối với nút của phần tử vỏ

Phương pháp này thích dụng với công 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 mô hình đàn hồi của đất, chúng tỏ ra đơn giản, tính toán tương đối thuận tiện Nhưng mà trong vùng đất yếu, đất có tính lưu biến, biến dạng của hố móng (biến dạng của than tường, đất) sẽ tăng theo thời gian, khi phân thành từng khoảng đào, tác dụng không 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 không 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 mô 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 thong qua các số liệu thí nghiệm trong phòng và ngoài thực địa, số liệu thực đo ở hiện trường để lựa chọn các thông 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 công trình trước khi bắt đầu đào hố móng, mô phỏng gia tải để tính toán một lần, thu được trường ứng suất và xem đó là trường ứng suất ban đầu

- Điều kiện biên và phạm vi tính toán: khi hình thức kết cấu , điều kiện môi trường, phân bố tải trọng, điều kiện thi công v.v của tường là đối xứng thì có thể lựa chọn một 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 lớn hơn (B − D) / 2 (B là độ rộng

hố móng, D là độ sâu tường cắm vào trong đất) xem là điểm gối bất động

- 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 công .; 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 cấu và đất, phải quyết định số phần tử cần thiết với mức độthấp 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 đất có thể tìm được hiệu ứng thời gian của các tham số [8]

2.1.4.3 Phương pháp phần tử hữu hạn, sử dụng phần mềm Plaxis

- Plaxis là một 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 công trình Thủ tục đồ họa nhập vào đơn giản cho phép tạo mô hình phần tử hữu hạn phức tạp tính năng được cải thiện cho phép cung cấp chi tiết những kết quả tính toán Chức năng tính toán hoàn toàn tự động và dự trên thủ tục số hóa mạnh mẽ

- Các bài toán địa kỹ thuật yêu cầu tiến tới xây dựng các mô hình và mô phỏng ứng xử 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 Mô hình hóa đất đá là một vấn đề quan trọng do

đó nhiều công trình địa kỹ thuật đã quan tâm đến việc mô hình hóa các kết cấu

và tương tác giữa kết cấu và đất Plaxis được trang bị những tính năng đặc biệt

để giải quyết một số khía cạnh của kết cấu địa kỹ thuật phức tạp

- Quan trọng hơn là việc ứng dụng chương trình Plaxis giúp chúng ta nhận biết được sự làm việc của kết cấu ứng với từng giai đoạn thi công có ảnh hưởng đến

nó Cụ thể ở đây thi công đào đất tầng hầm kết hợp kết cấu chắn giữ tường vây

để chắn giữ hố đào Khi thiết kế tính toán lựa chọn chiều dày tường , thì phải tính toán kiểm tra ứng suất, biến dạng của tường trong các giai đoạn thi công hố đào từ đó lựa chọn chiều dày phù hợp

- Chương trình này có những ưu điểm: Khắc phục được những nhược điểm của các phương pháp khác Phản ảnh sự làm việc của kết cấu gần hơn với thực tế 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 đất phân bố không hoàn toàn 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 lực đàn hồi của đất được xét một cách cụ thể

- Thanh chống/ neo được mô phỏng bằng liên kết lò xo, độc ứng, chiều dài thanh chống đều được xét đến thông qua độ cứng của liên kết lò xo

Thân tường chắn được mô tả bằng phần tử dầm, độ cứng của tường là hữu hạn (không phải là tuyệt đối cứng) thông qua khai báo về vật liệu cho phần tử thanh dầm trong Plaxis

- Trên thực tế nội lực và biến dạng của tường có nhiều tầng chống biến đổi theo quá trình đào đất Phương pháp phần tử hữu hạn sử dụng phần mềm Plaxis đã kể đầy đủ quá trình này, tức là kể đến ảnh hưởng của quá trình đào đất đến phản lực của thanh chống ,nội lực chuyển vị theo từng bước đào Quá trình tính xác định

được chuyển dịch ban đầu của tường tại vị trí dự kiến sẽ chống của giai đoạn đào tiếp sau Lấy chuyển dịch ở các vị trí chống của tường tính được giai đoạn cuối cùng trừ đi dịch chuyển ban đầu tương ứng ta xác định được giá trị biến dạng thực tế của thanh chống và nhờ vậy tính ra được phản lực của thanh chống, cuối cùng tìm ra được nội lực và biến dạng tại các mặt cắt thân tường Nội lực cuối cùng đưa vào thiết kế là tổ hợp bao của các giai đoạn đào- biến đổi phức tạp trên suốt chiều sâu tường [9]

2.2 TẢI TRỌNG TÁC DỤNG LÊN HỆ TƯỜNG VÂY

Các dạng tải trọng có thể tác động lên hệ tường vây gồm:

- Do trọng lượng bản thân của hệ

- Do tác động của các ứng lực đặt trên mặt đất

- Do một phần nhà trên mặt đất truyền trực tiếp lên hệ

- 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

- Các tải trọng do các thiết bị công nghệ bố trí trực tiếp trong công trình Theo tiêu chuẩn các tải trọng và tác động, tải trọng tác động vào kết cấu thông thường chia làm 3 loại:

+ Tải trọng thường xuyên (cố định): là những tải trọng và tác động như trọng lượng bản thân của đất và công trình, thường xuyên tác dụng khi xây dựng

tác dụng khi xây dựng và khai thác công trình như áp lực ngang khi dâng quá nhanh đáy kết cấu chắn giữ hoặc lở đất trong vùng áo sét

Việc tính toán công trình được tiến hành với tổ hợp bất lợi nhất của tải trọng hoặc các ứng lực tương ứng với nó Các tổ hợp này được thiết lập từ việc phân tích các phương án tác động đồng thời thực tế của các tải trọng khác nhau đối với giai đoạn làm việc được xem xét của công trình Khi đó người ta phân ra:

+ Tổ hợp tải trọng cơ bản 1 lập từ các tải trọng thường xuyên, các tải trọng dài hạn

+ Tổ hợp tải trọng cơ bản 2 lập từ các tải trọng thường xuyên, các tải trọng ngắn hạn

+ Tổ hợp tải trọng đặc biệt lập từ các tải trọng thường xuyên, tải trọng dài hạn, ngắn hạn và một tải trọng đặc biệt [6] [8] [10]

2.2.1 Áp lực đất

Khi tính toán áp lực đất lên tường vây, độ lớn và quy luật phân bố của áp lực đất

có liên quan tới sự dịch chuyển tương đối của tường vây so với bề mặt tiếp xúc giữa tường vây và đất Sự dịch chuyển này có tính chất tương đối, được qui ước như trình bày dưới đây:

- Áp lực đất tĩnh: Khi tường vây giữ nguyên, không dịch chuyển, đất sau tường

ổn định không bị biến dạng, ngoài một phần biến dạng rất nhỏ do trọng lượng bản thân đất gây ra Áp lực đất lên tường gọi là áp lực đất tĩnh P t

- Áp lực đất chủ động: Khi tường vây dịch chuyển ra phía ngoài, xa bề mặt tiếp xúc giữa tường và đất hơn, đất sau tường được giãn ra Áp lực đất lên tường giảm xuống Chuyển vị của tường càng lớn, áp lực đất càng nhỏ Khi chuyển vị đạt đến giá trị nhất định thì xuất hiện vết nứt trong đất Khối đất sau tường sẽ

trượt xuống theo các vết nứt này mà người ta gọi là mặt trượt chủ động Khi đó

áp lực đất giảm đến trị số nhỏ nhất, gọi là áp lực đất chủ động P c

- Áp lực đất bị động: Khi tường vây dịch chuyển vào phía trong gần bề mặt tiếp xúc giữa tường và đất hơn, đất sau tường bị nén chặt lại, áp lực đất lên tường tăng lên Chuyển vị càng lớn, áp lực đất càng tăng mạnh Khi chuyển vị đủ lớn trong đất cũng xuất hiện vết nứt gọi là mặt trượt bị động Đất bị đẩy theo mặt trượt này lên phía trên Áp lực đất lên tường đạt đến giá trị lớn nhất, gọi là áp lực đất bị động P b [11]

Hình 2.5 Ba áp lực đất lên tường chắn

2.2.1.1 Áp lực đất chủ động và áp lực đất bị động

Áp lực đất chủ động và bị động của đất lên tường chắn phụ thuộc rất lớn vào tính chất cơ lý của đất, góc mái tự nhiên α, góc nghiêng của lưng tường chắn, ma sát giữa đất và tường

Hiện nay có rất nhiều phương pháp xác định áp lực tường chắn, tuy nhiên, các phương pháp được dùng chủ yếu thuộc 2 nhóm chính dựa trên lý thuyết cân bằng giới hạn do Rankine khởi xướng và dùng mặt trượt giả định Coulomb

a Tính áp lực đất theo phương pháp Rankine

* tính áp lực đất chủ động

Hình 2.6 Biểu đồ áp lực đất

Đất giáp lưng tường thẳng đứng, đất trên đỉnh tường ngang phẳng, bỏ qua lực

ma sát giữa đất và mặt đứng của tường chắn, cường độ áp lực đất chủ động pa được tính như công thức dưới đây [8] [11] [12] [13]

- Đối với đất không dính:

a

2 45

2

- Đối với đất dính:

a a

a

a

K c HK

P

ctg Htg

P

2

) 2 45 ( 2 ) 2 45

: khối lượng riêng của đất sau tường chắn kn/m3 nếu thấp hơn mức nước ngầm thì đó chính là dung trọng nổi

với chiều cao tường chắn là h, tổng áp lực đất chủ động của đất ea trên suốt chiều cao của tường được tính theo công thức dưới đây:

0 2

2 2

1 2 ) 2 45 ( 2 ) 2 45 ( 2

K cH K

H

c cHtg

tg H