Xem mẫu
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
ỨNG DỤNG CHƯƠNG TRÌNH PLAXIS TÍNH TOÁN LỰA CHỌN
CHIỀU DÀY TƯỜNG BARETTE CHO TẦNG HẦM NHÀ CAO TẦNG
Nguyễn Thị Thanh Hoa
Khoa Địa chất và Khoáng sản, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Thành phố Hồ Chí Minh
Email: ntthoa@hcmunre.edu.vn
TÓM TẮT
Khi thiết kế thi công phần ngầm, quan trọng là thiết kế tính toán cho tường vây tầng hầm
(tường Barrette) với mục tiêu để tường Barrette có chiều dày chiều sâu hợp lý phù hợp về kinh tế,
khả năng chịu lực và đảm bảo yêu cầu kỹ thuật là cần thiết. Hiện nay, có nhiều phương pháp tính
toán thiết kế tường Barrette, trong đó ứng dụng chương trình Plaxis vào tính toán cho thấy những
ưu điểm như tiết kiệm thời gian, chi phí và cho ra kết quả chính xác. Nghiên cứu này như một kết
quả thực nghiệm từ việc sử dụng số liệu công trình để đưa ra những thay đổi, ảnh hưởng trong việc
tính toán tường vây cho thi công tầng hầm. Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình thi công tường
vây, trong nghiên cứu này chỉ xét đến 2 yếu tố cơ bản ảnh hưởng trực tiếp đến chiều dày của tường
vây: 1. Chiều dày tường được giữ nguyên, thay đổi chiều cao tầng chống thì nội lực trong tường
thay đổi, dẫn đến biến dạng của tường thay đổi, tiết diện thép thay đổi; 2. Thay đổi chiều dày tường
hay chính là thay đổi độ cứng của tường bằng cách tăng giảm chiều dày của tường. Bằng việc sử
dụng phần mềm Plaxis với phương pháp phần tử hữu hạn, kết quả của nghiên cứu đưa ra cách xác
định tường Barrette có chiều dày hợp lý ứng với điều kiện, yếu tố ảnh hưởng cụ thể của công trình.
Từ khóa: “nhà cao tầng”, “tầng hầm”, “tường vây”, “Barrette”, “Plaxis”.
1. MỞ ĐẦU
Do nhu cầu tiết kiệm diện tích xây dựng, các công trình nhà cao tầng ngày càng phát triển và
phổ biến ở nước ta, đặc biệt ở các thành phố lớn như Thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội. Để giải
quyết bài toán về nhu cầu diện tích, nhiều công trình ngầm được xây dựng và khai thác hiệu quả
không gian ngầm như tầng hầm trong các chung cư, tòa cao ốc, đường ngầm metro,…. Với đặc
điểm địa chất khu vực Hà Nội hay TP. HCM kết cấu yếu có khả năng chịu tải rất thấp, vì vậy việc
thiết kế tường vây phải đảm bảo chiều dày hợp lý, các tiêu chí chuyển vị tường, chuyển vị của nền
đất xung quanh hố đào cũng như hiệu quả kinh tế trong đầu tư là vấn đề quan trọng trong thi công
xây dựng tầng hầm.
Hiện nay có khá nhiều phương pháp tính toán tường Barette. 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. Trong các phương pháp tính toán tường vây liên tục trong
giai đoạn thi công như: phương pháp Sachipana của Nhật, phương pháp phần tử hữu hạn hệ thanh
trên nền đàn hồi và bản mỏng trên nền đàn hồi, trong đó việc áp dụng phương pháp phần tử hữu hạn
bằng việc sữ dụng phần mền Plaxis cho thấy mức độ chính xác, khả thi và nhanh chóng.
447
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
2. PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
2.1. Tổng quan phần mềm plaxis
Nghiên cứu sử dụng phần mềm Plaxis của Hà Lan để tính toán. Sự phát triển phần mềm Plaxis
được bắt đầu từ 1987 tại Đại học Công nghệ Delff - Hà Lan. Đến năm 1993 Công ty Plaxis BV
được thành lập và từ năm 1998, các phần mềm Plaxis đều được xây dựng theo phần tử hữu hạn.
Phần mềm Plaxis được trang bị các tính năng đặc biệt để giải quyết một số khía cạnh của các kết
cấu địa kỹ thuật phức tạp. Để giải quyết mục tiêu nghiên cứu, tác giả sử dụng Plaxis phiên bản 8.2
trong tính toán.
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. Các bài toán địa kỹ thuật ngày nay đưa
ra các yêu cầu mô hình và mô phỏng ứng xử theo thời gian của các loại đất đá. 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. Trình tự để giải một bài toán địa kỹ thuật bằng
bằng phần mềm Plaxis gồm 11 bước chi tiết sau:
Bước 1: Thiết lập tổng thể bài toán;
Bước 2: Thiết lập mặt bằng làm việc;
Bước 3: Thiết lập đường bao, hình dạng kết cấu;
Bước 4: Khai báo tải trọng;
Bước 5: Khai báo lỗ khoan và các tính chất vật liệu;
Bước 6: Chia lưới phần tử;
Bước 7: Thiết lập giai đoạn tính toán;
Bước 8: Chọn điểm;
Bước 9: Tính toán;
Bước 10: Xem và xuất kết quả nội lực, biến dạng và ứng suất của kết cấu;
Bước 11: Xem và xuất kết quả biểu đồ quan hệ lực - chuyển vị của kết cấu.
2.2. Tính toán lựa chọn chiều ày tƣờng barette cho tầng hầm nhà cao tầng
Tường Barrette là một bộ phận kết cấu công trình, là tường của tầng hầm. Trong giai đoạn thi
công tầng hầm tường (Barrette) là kết cấu chắn giữ ổn định cho hố đào, sau khi thi công xong tường
Barrette là tường của tầng hầm. Trong khuôn khổ nghiên cứu khảo sát một số yếu tố cơ bản ảnh
hưởng đến chiều dày của tường Barette như sau:
- TH1: Chiều dày tường Barette giữ nguyên, thay đổi chiều cao tầng chống từ 3m đến 4m và
5m. Khảo sát sự thay đổi về chuyển vị và ứng suất trong tường chắn khi chiều dày tường chắn
không đổi, đất nền không đổi.
- TH2: Chiều dày tường Barette thay đổi, này trường hợp này thay đổi độ cứng của tường bằng
cách tăng giảm chiều dày. Khảo sát sự thay đổi về chuyển vị và ứng suất trong tường chắn khi chiều
cao tầng chống không đổi, đất nền không đổi.
448
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
Hình 1. Mô hình đào đất cho tường Barrette.
2.2.1. Xét ảnh hưởng của chi u cao tầng chống đến tường chắn trong trường hợp chi u dày
tường barette giữ nguyên
Tầng hầm đào sâu -11 m, với mực nước ngầm nằm tại cốt -2,0 m, chiều cao tầng chống thay
đổi cách nhau tăng dần từ 3 m, 4 m và 5 m. Mô phỏng các giai đoạn tính toán đào đất cho tường
chắn như sau:
Khoảng cách thanh chống 3m Khoảng cách thanh chống 4m Khoảng cách thanh chống 5m
- Giai đoạn 1: Thi công xong - Giai đoạn 1: Thi công xong - Giai đoạn 1: Thi công xong
tường Barrette, chất tải trên mặt tường Barrette, chất tải trên mặt tường Barrette, chất tải trên mặt
đất xung quanh tường Barrette. đất xung quanh tường Barrette. đất xung quanh tường Barrette.
- Giai đoạn 2: Đào lần 1, chiều - Giai đoạn 2: Đào lần 1, chiều - Giai đoạn 2: Đào lần 1, chiều
sâu hố đào 2,0 m. sâu hố đào 3,0 m, sâu hố đào 1,0 m.
- Giai đoạn 3: Chống đỡ tường - Giai đoạn 3: Chống đỡ tường - Giai đoạn 3: Chống đỡ tường
bằng thanh chống/neo, điểm đặt bằng thanh chống/neo, điểm đặt bằng thanh chống/neo, điểm đặt
thanh chống có cao độ -2,0 m. thanh chống có cao độ -3,0 m. thanh chống có cao độ -1,0 m.
- Giai đoạn 4: Đào lần 2, chiều - Giai đoạn 4: Đào lần 2, chiều - Giai đoạn 4: Đào lần 2, chiều
sâu đợt đào 3,0 m, kết hợp hạ mực sâu đợt đào 4,0 m, kết hợp hạ mực sâu đợt đào 5,0 m, kết hợp hạ mực
nước ngầm. nước ngầm. nước ngầm.
- Giai đoạn 5: Chống đỡ tường - Giai đoạn 5: Chống đỡ tường - Giai đoạn 5: Chống đỡ tường
bằng thanh chống/neo đợt 2, điểm bằng thanh chống/neo đợt 2, điểm bằng thanh chống/neo đợt 2, điểm
đặt thanh chống có cao độ -5,0 m. đặt thanh chống có cao độ -7,0 m. đặt thanh chống có cao độ -6,0 m.
- Giai đoạn 6: Đào lần 3, chiều - Giai đoạn 6: Đào lần 3, chiều - Giai đoạn 6: Đào lần 3, chiều
sâu đợt đào 3,0 m, kết hợp hạ mực sâu đợt đào 4,0 m, kết hợp hạ mực sâu đợt đào 5,0 m, kết hợp hạ mực
nước ngầm. nước ngầm, đáy hố đào đạt cốt - nước ngầm, đáy hố đào đạt cốt -
- Giai đoạn 7: Chống đỡ tường 11.000 m. 11.000 m.
bằng thanh chống/neo đợt 3, điểm
đặt thanh chống có cao độ -8,0 m.
- Giai đoạn 8: Đào lần 4, chiều
sâu đợt đào 3,0 m, kết hợp hạ mực
nước ngầm, đáy hố đào đạt cốt -
11.000 m.
449
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
Tương ứng với 3 trường hợp thanh chắn cách 3 m, 4 m, 5 m, so đồ hóa quá trình tính toán trên
chương trình Plaxis như sau:
Hình 2. Sơ đồ tính mô hình Hình 3. Sơ đồ tính mô hình Hình 4. Sơ đồ tính mô hình
khi thanh chống có khoảng cách khi thanh chống có khoảng khi thanh chống có khoảng
3 m. cách 4 m. cách 5 m.
2.2.2. Xét ảnh hưởng của chi u cao tầng chống đến tường chắn trong trường hợp chi u dày
tường barette thay đổi (độ cứng tường thay đổi)
Trong trường hợp này chiều cao tầng chống giữ nguyên (4m), thay đổi chiều dày tường có
nghĩa là thay đổi độ cứng của tường bằng cách tăng giảm chiều dày (tường dày 400, 500, 600, 700,
800) mác 300. Khảo sát sự thay đổi về chuyển vị và ứng suất trong tường chắn khi chiều cao tầng
chống không đổi, đất nền không đổi.
Bảng 1. Đặc trưng vật liệu tường.
Đặc trưng tường dày
Thông số Đơn vị
400 500 600 700 800
Độ cứng khi nén (EA) kN/m 1,14x10 7
1,43x10 7
1,72x10 7
2,01x10 7
2,28x107
Độ cứng khi uốn (EI) kNm2/m 1,52x105 3,05x105 5,2x105 8,17x105 12,39x105
Bề dày tương đương (d) m 0.4 0.5 0.6 0.7 0,8
Trọng lượng (W) kN/m/m 10 12.5 15 17.5 20
Hệ số Poisson (υ) - 0 0 0 0 0
3. KẾT QUẢ THẢO LUẬN
Trên cơ sở các thông số khai báo và quy trình các bước thực hiện, chương trình Plaxsis cho ra
các kết quả theo từng trường hợp mô phỏng tính toán được trình bày dưới đây.
3.1. Chiều ày tƣờng barette giữ nguyên
Các kết quả tương ứng cho từng khoảng cách thanh chắn cụ thể như sau:
- Khi thanh chắn có khoảng cách 3 m, kết quả trên chương trình Plaxis cho thấy biểu đồ bao
momen có Mmax=154,58 kN/m, biểu đồ chuyển vị Umax= 2,47 cm.
450
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
Hình 5. Biến dạng đất theo phương ngang Hình 6. Lưới biến dạng giai đoạn cuối
khi thanh chắn cách 3 m. khi thanh chắn 3 m.
Hình 7. Biểu đồ bao momen khi thanh chắn Hình 8. Biểu đồ chuyển vị
cách 3 m. khi thanh chắn cách 3 m.
- Khi thanh chắn có khoảng cách 4 m, kết quả trên chương trình Plaxis cho thấy biểu đồ bao
momen có Mmax=190,85 kN/m, biểu đồ chuyển vị Umax= 2,48 cm.
Hình 9. Biến dạng đất theo phương ngang Hình 10. Biến dạng đất theo phương đứng
khi thanh chắn cách 4 m. khi thanh cắn cách 4 m.
451
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
Hình 11. Biểu đồ bao Hình 12. Biểu đồ Hình 13. Lưới biến dạng giai đoạn cuối khi
momen khi thanh chắn 4 m. chuyển vị khi thanh chắn 4 m.
thanh chắn 4 m.
- Khi thanh chắn có khoảng cách 5 m, kết quả trên chương trình Plaxis cho thấy biểu đồ bao
momen có Mmax=217,60 kN/m, biểu đồ chuyển vị Umax= 2,51 cm.
Hình 14. Biến dạng đất theo phương ngang Hình 15. Biến dạng đất theo phương đứng
khi thanh chắn cách 5 m. khi thanh chắn cách 5 m.
Hình 16. Biểu đồ bao Hình 17. Biểu đồ chuyển Hình 18. Lưới biến dạng giai đoạn cuối
momen khi thanh chắn 5 m. vị khi thanh chắn 5 m. khi thanh chắn 5 m.
Từ kết quả tính toán cho các trường hợp thanh chắn cách 3 m, 4 m, 5 m, biểu đồ so sánh
chuyển vị được thực hiện trên các phần tử trong lưới tính (tọa độ X, Y là các giá trị tại nút giao của
từng phần tử). Ta lập được biểu đồ chuyển vị của tường Barrette và biểu đồ so sánh momen khi
khoảng cách tầng chống thay đổi như sau:
452
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
Hình 19. Biểu đồ chuyển vị của tường Barrette khi khoảng cách tầng chống thay đổi.
Hình 20. Biểu đồ bao momen của tường Barrette ở giai đoạn cuối khi khoảng cách tầng
chống thay đổi.
Nhận xét: Trong trường hợp chiều dày tường barette giữ nguyên, tức là giữ cho độ cứng của
tường không đổi, chỉ thay đổi tăng khoảng cách chiều cao tầng chống (3 m, 4 m, 5 m), kết quả chạy
ra từ chương trình Plaxis cho thấy:
- Biến đổi chuyển vị ở đỉnh tường tăng, riêng thân tường chuyển vị tăng rõ rệt. Điều này chứng
tỏ áp lực đất tác dụng lên thân tường ảnh hưởng lớn khi khoảng cách 2 tầng chống càng lớn. Tại
chân tường, chuyển vị hầu như không thay đổi khi thay đổi chiều cao tầng chống, nếu chân tường
có sự dịch chuyển thì do áp lực đẩy ngang của đất lớn tác dụng. Nên khi thiết kế tính toán chú ý đến
chiều sâu của tường để hạn chế chuyển vị không vượt quá giới hạn cho phép.
- Khi tăng khoảng cách tầng chống thì momen trong thân tường tăng lên đáng kể, giá trị
momen càng lớn khi khoảng cách càng cao. Do vậy cần phải tính toán xác định khoảng cách phù
hợp để khối lượng cốt thép không vượt quá khối lượng cho phép và khoảng cách tầng chống phù
hợp để đảm bảo việc thi công thuận lợi.
3.2. Thay đổi độ cứng của tƣờng ảnh hƣởng đến tƣờng chắn
Khi chiều cao tầng chống giữ nguyên khoảng 4 m, với các giá trị tường dày 400, 500, 600,
700, 800 cho thấy sự thay đổi về chuyển vị và ứng suất trong tường chắn khi chiều cao tầng chống
không đổi, đất nền không đổi như sau:
453
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
- Tường dày 400, bao momen có Mmax= 131,73 kN/m, chuyển vị Umax=2,6 cm.
- Tường dày 500, bao momen có Mmax= 161,55 kN/m, chuyển vị Umax=2,55 cm.
- Tường dày 600, bao momen có Mmax= 191,15 kN/m, chuyển vị Umax=2,45 cm.
- Tường dày 700, bao momen có Mmax= 226,02 kN/m, chuyển vị Umax=2,5 cm.
- Tường dày 800, bao momen có Mmax= 264,25 kN/m, chuyển vị Umax=2,57 cm.
Hình 21. Biểu đồ Hình 22. Biểu đồ Hình 23. Biểu đồ Hình 24. Biểu đồ
bao momen tường chuyển vị tường dày 400. bao momen chuyển vị tường
dày 400. tường dày 500. dày 500.
Hình 25. Biểu đồ bao Hình 26. Biểu đồ Hình 27. Biểu đồ Hình 28. Biểu đồ
momen tường dày 600. chuyển vị tường dày 600. bao momen chuyển vị tường
tường dày 700. dày 700.
Hình 29. Biểu đồ bao Hình 30. Biểu đồ
momen tường dày 800. chuyển vị tường
dày 800.
454
- Hội nghị Khoa học Công nghệ lần thứ 4 - SEMREGG 2018
Kết quả chuyển vị so sánh giữa các loại tường có chiều dày từ 400 đến 800 cho thấy sự ổn
định và phù hợp khi lựa chọn chiều dày tường là 600 đối với công trình công trình có 3 tầng hầm
trong điều kiện địa chất chất yếu TP. HCM (số liệu công trình được sử dụng trong nghiên cứu).
Hình 31. Biểu đồ chuyển vị của tường Barrette.
Nhận xét: Khi thay đổi chiều dày của tường chắn, nhưng hệ thống chống vẫn giữ nguyên tại vị
trí 4 m, trong điều kiện áp lực đất tác dụng lên tường không đổi, kết quả chạy từ chương trình Plaxis
cho thấy ở độ dày tường 600 sự chuyển vị của tường là ít nhất. Ngoài ra, sự chuyển vị ở thân tường
có sự thay đổi lớn, đặc biệt tại vị trí đáy hố đào. Trên cơ sở phân tích, vấn đề đặt ra là cần lựa chọn
chiều dày tường sao cho hàm lượng cốt thép trong tường không vượt quá quy định mà chiều dày
tường vẫn đảm bảo được vai trò trong tầng hầm cũng như thuận tiện trong thi công.
4. KẾT LUẬN
Khi tính toán lựa chọn chiều dày tường cần xét đến chiều cao tầng chống, khi chiều cao tầng
chống càng cao thì nội lực và chuyển vị trong thân tường càng lớn. Đối với tường barrette làm việc
theo sơ đồ có nhiều thanh chống thì thanh chống trên cùng cách đỉnh 3 m và khoảng cách giữa các
thanh chống 4 m là hợp lý nhất khi tường có chiều dày từ 400-600 (tức 0,4-0,6 m). Đối với công
trình có từ 3 tầng hầm, với chiều sâu hố đào từ 10-15 m thì nên chọn chiều dày tường là mác 600
(0,6 m) là hợp lý.
Kết quả tính toán từ chương trình Plaxis có sự kiểm tra tính toán lại bằng thủ công và thực tế
trong quá trình thi công xây dựng tầng hầm (công trình Khách sạn Phương Đông với 3 tầng hầm)
cho thấy sự khả thi và phù hợp trong kết quả đầu ra của chương trình. Kết quả nghiên cứu còn giới
hạn khi chưa xét đến ảnh hưởng biến đổi của tường vây quanh từng loại đất đá trong hố đào.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
1. Đỗ Văn Đệ - Phần mềm Plaxis ứng dụng vào tính toán các công trình thủy công, Nxb. Xây
dựng, 2008.
2. Lê Bá Lương, Pierre Larael, Nguyễn Thành Long, Nguyễn Quang Chiêu, Vũ Đức Lục - Công
trình trên đất yếu trong điều kiện Việt Nam, Nxb. Xây dựng, 2001.
3. Nguyễn Đức Nguôn - Địa kỹ thuật trong xây dựng công trình ngầm dân dụng và công nghiệp,
Nxb. Xây dựng, 2008.
4. Nguyễn Quang Phích, Nguyễn Văn Mạnh - Phương pháp số chương trình Plaxis 3D & UDEC,
Nxb. Xây dựng, 2007.
5. Phan Trường Phiệt - Áp lực đất và tường chắn đất. Nxb. Xây dựng, 2001.
455
- The fourth Scientific Conference - SEMREGG 2018
6. Trần Quang Hộ - Công trình trên đất yếu. Nxb. ĐHQG TP. HCM, 2005.
7. Clough và O‟Rourke. 2004. Kiểm soát những tác động của sự dịch chuyển đất trong xây dựng
hầm đô thị. Tạp chí cầu đường Việt Nam. Số 7. trang 18-23.
APPLICATION PLAXIS PROGRAM CALCULATES THE CHOICE OF BARRETTE
WALL THICKNESS FOR BASEMENT BUILDINGS
Nguyen Thi Thanh Hoa
Hochiminh City University of Natural Resources and Environment
Email: ntthoa@hcmunre.edu.vn
ABSTRACT
When designing the underground construction, it is important to design the basement wall
(Barrette wall) with the purpose is to make Barrette wall of reasonable size, economical fit and
technical requyrements. At present, there are many methods of calculating Barrette walls, which use
the Plaxis program to calculate the advantages such as saving time, costs and give accurate results.
In this study, two basic factors that directly affect the barrette wall thickness are: 1. The wall
thickness is constant, changing the height of the floor, leading to internal force in the wall changes,
the deformation of the wall changes, the section of steel also changes; 2. Change the wall thickness
(change the wall's hardness) by increasing the thickness. By using the Plaxis software with finite
element method, the results of the study provide a way to determine the Barrette wall thickness that
is appropriate for each work condition.
Keywords: “Ground-floor”, “ High - Rise”, “diaphragm wall”, “Barrette”, “Plaxis”.
456
nguon tai.lieu . vn
