Trong xây dựng các công trình có hầm, việc thiết kế và tính toán tường vây tầng hầm là một bước quan trọng, quyết định đến tính an toàn và bền vững của toàn bộ công trình. Tường vây không chỉ có chức năng chịu tải trọng đất và nước ngầm mà còn phải đáp ứng các yêu cầu chống thấm và chịu được áp lực từ các công trình lân cận.
Bài viết này sẽ trình bày chi tiết về các phương pháp tính toán áp lực đất, áp lực nước ngầm, và tải trọng bên ngoài tác dụng lên tường tầng hầm, đồng thời giới thiệu các công cụ và phần mềm hỗ trợ tính toán, giúp đưa ra những giải pháp thiết kế tối ưu cho tường vây tầng hầm trong các dự án xây dựng hiện đại.
Vai trò của tường vây trong xây dựng tầng hầm
Tường vây là một cấu trúc đa chức năng, đảm bảo độ an toàn, ổn định và tính bền vững cho công trình tầng hầm, đặc biệt là trong điều kiện nền đất yếu và môi trường phức tạp như các khu đô thị lớn. Dưới đây là các vai trò chính của tường vây:
- Chống đỡ đất và nước ngầm: Tường vây giúp ngăn chặn áp lực đất và nước ngầm từ bên ngoài tầng hầm, ngăn ngừa hiện tượng sạt lở đất hoặc thấm nước vào bên trong. Điều này rất quan trọng để duy trì tính ổn định của công trình, đặc biệt là ở các khu vực có mực nước ngầm cao.
- Bảo đảm an toàn trong quá trình thi công: Tường vây tầng hầm giúp tạo ra một khu vực thi công an toàn, tránh được các tác động từ bên ngoài (như sụt lún đất). Nhờ đó, công nhân và các thiết bị có thể hoạt động ổn định trong quá trình đào đất và xây dựng tầng hầm.
- Kết cấu chịu lực của công trình: Tường vây là một phần trong kết cấu chịu lực của công trình, giúp phân tán tải trọng từ tầng hầm và các tầng trên xuống nền móng. Điều này đặc biệt quan trọng đối với các công trình có tải trọng lớn.
- Chống thấm và bảo vệ môi trường bên trong tầng hầm: Tường vây thường được thiết kế với lớp chống thấm hoặc các phương pháp chống thấm khác để bảo vệ không gian bên trong tầng hầm khỏi tác động của nước ngầm, đồng thời tạo môi trường khô ráo, phù hợp cho mục đích sử dụng của tầng hầm (như bãi đỗ xe, nhà kho hoặc các khu vực sinh hoạt).
- Giảm thiểu ảnh hưởng đến các công trình lân cận: Đối với các công trình xây dựng trong khu vực đô thị hoặc nơi có mật độ xây dựng cao, tường vây giúp hạn chế tối đa ảnh hưởng của quá trình đào móng đến các công trình lân cận, đảm bảo an toàn và không gây biến dạng cho các nền móng xung quanh.
- Tăng tính bền vững và tuổi thọ cho công trình: Tường vây không chỉ giúp bảo vệ tầng hầm mà còn góp phần gia tăng tuổi thọ của công trình, đảm bảo tính bền vững trong suốt vòng đời sử dụng.
Các yếu tố ảnh hưởng tới tính toán tường vây tầng hầm
Khi thiết kế và tính toán tường vây tầng hầm, các yếu tố quan trọng có ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng chịu lực và độ bền của tường vây bao gồm đặc điểm địa chất, mực nước ngầm, và lực tác động ngoài. Dưới đây là phân tích chi tiết từng yếu tố:
Đặc điểm địa chất
Đặc điểm địa chất bao gồm loại đất, độ chặt, khả năng chịu tải và các lớp đất trong khu vực xây dựng. Đây là yếu tố quyết định khả năng ổn định của tường vây và ảnh hưởng đến cách thức thi công.
- Loại đất: Đất mềm hoặc đất yếu (như đất sét mềm, cát bở rời) sẽ tạo ra áp lực lớn lên tường vây, đòi hỏi tường phải dày và kiên cố hơn so với đất cứng. Đối với những khu vực có đá hoặc đất cứng, có thể giảm thiểu độ dày và độ sâu của tường.
- Độ chặt và khả năng chịu tải: Đất có độ chặt cao giúp giảm tải trọng lên tường, từ đó có thể tiết kiệm chi phí và vật liệu.
- Lớp đất xen kẽ: Nếu công trình nằm trên nhiều lớp đất khác nhau, các lớp này có thể tác động khác biệt lên tường, gây ra hiện tượng nứt hoặc lệch. Việc tính toán cần xem xét kỹ các lớp đất và mức độ tương tác giữa chúng.
Trước khi xây dựng, cần khảo sát địa chất kỹ lưỡng để xác định chính xác độ sâu và độ dày tường vây phù hợp. Các phương pháp như thí nghiệm nén đất hoặc khảo sát địa vật lý có thể cung cấp thông tin cần thiết cho việc thiết kế.
Mực nước ngầm
Mực nước ngầm là độ sâu của nước dưới mặt đất, thay đổi tùy theo vị trí địa lý và điều kiện thời tiết. Nước ngầm có thể gây áp lực thủy tĩnh lên tường vây, đòi hỏi khả năng chống thấm và chịu lực cao.
- Áp lực thủy tĩnh: Nước ngầm tác động lên tường từ mọi phía, đặc biệt ở các tầng hầm sâu. Áp lực nước sẽ tăng theo độ sâu và đòi hỏi tường phải có độ dày đủ lớn để chịu áp lực này.
- Tính thấm: Nước có thể thẩm thấu qua các khe hở trong vật liệu và gây ăn mòn. Nếu không sử dụng vật liệu chống thấm tốt, nước ngầm sẽ xâm nhập vào tầng hầm và gây ra tình trạng ẩm mốc, xuống cấp nhanh chóng.
Trong thiết kế, cần chọn vật liệu có khả năng chống thấm tốt (ví dụ như bê tông cốt thép có phụ gia chống thấm) và có thể sử dụng thêm các lớp chống thấm bổ sung. Ngoài ra, cần thiết kế hệ thống thoát nước để giảm áp lực thủy tĩnh tác động lên tường.
Lực tác động ngoài
Lực tác động ngoài bao gồm các tải trọng từ môi trường và hoạt động xung quanh như tải trọng từ đất, từ công trình lân cận, hoặc từ hoạt động xây dựng.
- Tải trọng đất: Đây là lực tác động chính mà tường vây phải chịu. Tải trọng từ đất không đồng đều, thay đổi theo độ sâu và tính chất của đất, và tăng dần theo chiều cao của tường.
- Tải trọng từ công trình lân cận: Nếu có công trình gần kề, tải trọng từ nền móng của công trình này sẽ gây thêm áp lực lên tường vây, có thể gây ra biến dạng hoặc nứt tường nếu tính toán không chính xác.
- Tác động từ hoạt động thi công: Trong quá trình xây dựng, các hoạt động như đào đắp, vận chuyển vật liệu cũng tạo ra các lực rung động và tải trọng tác động lên tường, đặc biệt là các tầng hầm trong khu vực đô thị.
Cần tính toán và phân bổ lực đều trên tường vây bằng cách lựa chọn độ dày và độ sâu thích hợp. Đối với các khu vực có công trình gần kề, cần tính thêm các lực tác động từ móng lân cận và có thể tăng độ dày hoặc gia cố thêm để đảm bảo an toàn.
Tính toán áp lực đất, nước tác dụng lên tường vây tầng hầm
Khi tính toán áp lực đất lên tường chắn tầng hầm, độ lớn và cách phân bố áp lực đất phụ thuộc vào độ dịch chuyển tương đối giữa tường chắn và bề mặt đất tiếp xúc với nó. Dưới đây là các quy ước thường dùng:
Tính áp lực đất tĩnh
Khi tường chắn không dịch chuyển, đất phía sau tường ổn định và không biến dạng, ngoài một biến dạng rất nhỏ do trọng lượng đất. Lúc này, áp lực đất lên tường được gọi là áp lực đất tĩnh (Pt).
Tính áp lực đất chủ động tác dụng lên tường tầng hầm
Khi tường chắn dịch chuyển ra xa khỏi khối đất phía sau, đất được giãn ra, làm giảm áp lực lên tường. Mức giảm áp lực phụ thuộc vào độ dịch chuyển của tường; dịch chuyển càng lớn, áp lực đất càng nhỏ. Khi đạt đến một độ dịch chuyển nhất định, đất phía sau tường sẽ xuất hiện các vết nứt, hình thành mặt trượt chủ động. Khi đó, áp lực đất giảm xuống mức thấp nhất, được gọi là áp lực đất chủ động (Pc).
Tính áp lực đất bị động
Khi tường chắn dịch chuyển vào phía trong, gần hơn với đất, đất phía sau bị nén lại và áp lực đất lên tường tăng lên. Chuyển vị càng lớn, áp lực càng cao. Khi độ dịch chuyển đủ lớn, đất sẽ nứt theo một mặt trượt gọi là mặt trượt bị động, đẩy đất lên trên. Lúc này, áp lực đất lên tường đạt giá trị lớn nhất, gọi là áp lực đất bị động (Pb).
Tính áp lực nước ngầm
Trong quá trình thi công, phải luôn đảm bảo được mực nước ngầm thấp hơn mặt đất đào là 1m. Do đó sự chênh áp lực nước sẽ được tính như sau:
Trong thi công, mực nước ngầm phải luôn thấp hơn mặt đất đào ít nhất 1m để đảm bảo an toàn. Áp lực nước ngầm được tính qua các giai đoạn đào đất:
- Giai đoạn 1: Khi đào sâu -3,4m so với mặt đất, mực nước ngầm ở độ sâu -6,5m, đạt yêu cầu thi công, nên áp lực nước ngầm hai bên tường cân bằng.
- Giai đoạn 2: Khi đào sâu đến -7m, hạ mực nước ngầm trong lòng tường xuống 1m dưới mặt đất, tạo ra chênh lệch mực nước là △h = 1,5m.
Áp lực nước được tính như sau:
- Giai đoạn 3: Khi đào sâu đến -13,3m, hạ mực nước ngầm trong lòng tường xuống 1m dưới mặt đất, tạo ra chênh lệch mực nước là △h = 7,8m.
Áp lực nước được tính như sau:
Tính toán hệ kết cấu chống đỡ tường vây tầng hầm
Xác định tải trọng bên ngoài tác dụng lên tường vây
Việc xác định tải trọng bên ngoài tác dụng lên tường vây sẽ được thực hiện theo hai cách:
- Tính toán bằng thủ công: Sử dụng phương pháp gần đúng Sachipana và lý thuyết Rankine.
- Sử dụng phần mềm PLAXIS: Tính toán tải trọng lên kết cấu chống đỡ tường bê tông cốt thép ở từng giai đoạn đào. Phần mềm này nhanh và tiện lợi, nhưng độ chính xác phụ thuộc vào tham số đất, tải trọng và mô hình kết cấu.
Xác định nội lực trong hệ kết cấu chống đỡ tường vây
Dựa trên tải trọng đã tính, nội lực trong hệ chống đỡ được xác định qua phần mềm phần tử hữu hạn ETABS. Kết quả giúp kiểm tra khả năng chịu lực của kết cấu, đưa ra kết luận về hiệu quả và an toàn của biện pháp thi công hoặc chỉ định các biện pháp bổ sung nếu cần thiết.
Tính toán cốt thép chịu lực cho tường
Cắt một dải tường Diaphragm có chiều rộng 1m theo chiều dài tường, coi các vị trí neo như các gối tựa. Từ đó, coi dải như dầm đơn giản liên tục gối lên các gối tựa là các vị trí bố trí các hàng chống.
Tính chuyển vị của tường bằng phần mềm Sap 2000
Khi đào đất để xây dựng tầng hầm, áp lực từ đất và nước ngầm tác động lên tường vây sẽ gây ra hiện tượng chuyển vị, đặc biệt là tại phần đỉnh tường. Chuyển vị lớn có thể làm giảm độ ổn định và gây nứt hoặc sụp đổ cho tường. Thông thường sẽ sử dụng hệ văng chống tầng hầm - là hệ chống tạm thời để giữ ổn định, an toàn cho tường chắn trong hố đào sâu và hố móng. Từ đó tạo ra một lực cân bằng nhằm giảm chuyển vị của tường.
Việc tính toán chuyển vị của tường vây tầng hầm bằng SAP2000 giúp đánh giá được mức độ biến dạng của tường dưới tác động của các tải trọng và điều kiện địa chất. Thông qua mô hình hóa và phân tích, kỹ sư có thể điều chỉnh thiết kế để đảm bảo rằng tường đáp ứng các yêu cầu về an toàn và tính bền vững cho công trình.
Sau khi tính toán xong, sử dụng các công cụ của SAP2000 để kiểm tra chuyển vị tại các điểm trên tường. Chuyển vị lớn nhất thường xảy ra tại đỉnh tường hoặc tại các vị trí gần điểm chịu áp lực lớn. Đối chiếu giá trị chuyển vị với các tiêu chuẩn thiết kế hoặc các yêu cầu kỹ thuật để đảm bảo chuyển vị không vượt quá giới hạn cho phép. Đồng thời xem xét các giá trị nội lực để đảm bảo tường không bị phá hủy hoặc mất ổn định dưới tác động của tải trọng.
Nếu chuyển vị vượt quá giới hạn cho phép hoặc không đạt yêu cầu kỹ thuật, cần điều chỉnh độ dày tường, vật liệu, hoặc thay đổi thiết kế điều kiện biên và chạy lại phân tích.
Ví dụ về sơ đồ tính toán chuyển vị tường tầng hầm:
Biện pháp thi công tường vây tầng hầm
Trong các công trình xây dựng tầng hầm, ba phương pháp thi công tường vây phổ biến là tường cừ thép, tường cừ cọc xi măng đất và tường cừ barrette. Mỗi phương pháp có những đặc điểm và ứng dụng riêng biệt phù hợp với điều kiện địa chất, yêu cầu kỹ thuật, và mức đầu tư của từng công trình. Tuy nhiên, yêu cầu chung của tường cừ là phải đảm bảo về cường độ cũng như độ ổn định dưới tác dụng của áp lực đất và các loại tải trọng do được cắm sâu vào đất, neo trong đất hoặc được chống đỡ từ trong lòng hố đào theo nhiều cấp khác nhau.
Tường cừ thép
- Đặc điểm: Sử dụng các thanh thép hình chữ H hoặc chữ I đóng sâu xuống đất để tạo thành tường vây tạm thời. Cừ thép có thể được lắp ghép và tái sử dụng, là một giải pháp linh hoạt và nhanh chóng trong việc xây dựng.
- Ưu điểm:
- Thi công nhanh chóng, đặc biệt hiệu quả với các công trình có thời gian thi công ngắn.
- Cấu trúc dễ lắp ráp, tháo dỡ và có khả năng tái sử dụng cao, giúp tiết kiệm chi phí.
- Nhược điểm:
- Không thích hợp cho các tầng hầm sâu và đất yếu vì khả năng chịu lực và chống thấm không cao.
- Yêu cầu điều kiện đất không quá cứng hoặc không có đá lớn, nếu không sẽ ảnh hưởng đến quá trình đóng cọc.
Tường cừ cọc xi măng đất
- Đặc điểm: Tường được tạo ra từ sự kết hợp giữa đất và xi măng bằng cách trộn các lớp đất tự nhiên với xi măng để tạo thành một khối tường chắc chắn.
- Ưu điểm:
- Khả năng chịu lực tốt và có độ bền cao, đặc biệt phù hợp với các tầng hầm sâu.
- Cải thiện tính ổn định và chống thấm, do xi măng làm tăng độ bền của đất.
- Nhược điểm:
- Quá trình thi công phức tạp và yêu cầu các thiết bị chuyên dụng, đồng thời chi phí thi công có thể cao hơn so với tường cừ thép.
- Khó điều chỉnh hoặc thay đổi sau khi thi công do cọc đã liên kết với đất xung quanh.
Tường cừ barrette
- Đặc điểm: Đây là phương pháp thi công tường vây bằng cách sử dụng các cọc bê tông được đúc sẵn hoặc đổ tại chỗ. Barrette thường có hình dạng chữ nhật hoặc hình tròn.
- Ưu điểm:
- Khả năng chịu lực cực kỳ tốt, phù hợp cho các tầng hầm sâu và các công trình yêu cầu độ bền cao.
- Độ chính xác trong thi công cao và có khả năng chống thấm tốt.
- Nhược điểm:
- Thời gian và chi phí thi công lớn, đòi hỏi sự đầu tư lớn về nhân lực và thiết bị.
- Phương pháp này cần mặt bằng rộng để thi công và lắp đặt cọc bê tông.
Tùy vào điều kiện cụ thể của công trình như địa chất, độ sâu tầng hầm, chi phí và thời gian, mà các đơn vị thi công có thể lựa chọn giải pháp phù hợp. Thông thường, tường cừ thép sẽ phù hợp cho các công trình nhỏ, ít yêu cầu kỹ thuật cao, trong khi tường cừ cọc xi măng đất và tường cừ barrette được ưu tiên cho các tầng hầm sâu và đòi hỏi độ bền chắc lâu dài.
Tính toán tường vây tầng hầm là một công đoạn không thể xem nhẹ trong xây dựng các công trình có tầng hầm, đòi hỏi sự chính xác và hiểu biết sâu rộng về các yếu tố kỹ thuật cũng như điều kiện địa chất thực tế. Nếu không được tính toán chính xác, chủ nhà có thể gặp phải các vấn đề như sụt lún, thấm nước hoặc phát sinh chi phí không cần thiết.
Với GreenHN, bạn sẽ được đội ngũ kỹ sư giàu kinh nghiệm tư vấn giải pháp tối ưu cho tường vây tầng hầm, giúp đảm bảo độ bền vững, tiết kiệm chi phí và thi công nhanh chóng.
📞 Liên hệ ngay với GreenHN để được tư vấn miễn phí và nhận báo giá chi tiết!
- CÔNG TY CỔ PHẦN TƯ VẤN THIẾT KẾ VÀ XÂY DỰNG GREENHN
- BT1-16 Khu nhà ở cho CBCS cục B42, B57- Tổng cục V, Bộ Công An - X.Tân Triều - H.Thanh Trì - TP Hà Nội.
- Hotline: 0967.212.388 - 0922.77.11.33 - 0922.99.11.33
- Website: https://greenhn.vn/
- Fanpage Xây Nhà Trọn Gói GreenHN
- Youtube: Xây Nhà Trọn Gói - GreenHN
- Tiktok: Xây nhà trọn gói GreenHN
Hy vọng bài viết đã cung cấp những kiến thức bổ ích và thiết thực, giúp bạn có cái nhìn rõ hơn về quá trình tính toán tường vây tầng hầm, góp phần mang lại sự an toàn và thành công cho mỗi công trình. Hẹn gặp lại ở các bài viết tiếp theo!
