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

ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 77 
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 không thấm nƣớc, lớp dƣới có một tầng 
chứa nƣớc có áp hoặc tầng chứa nƣớc không 
phải là nƣớc có áp, nhƣng do quá trình thi công 
đã hình thành chênh lệch cột nƣớc trong và 
ngoài tƣờng hầm, dẫn đến hình thành áp lực đẩy 
nổi. Vì trong quá trình thiết kế kết cấu sàn hầm 
không khai báo tải trọng đẩy nổi này nên dẫn 
đến hiện tƣợng nứt sàn hầm do ứng suất kéo 
xuất hiện mà tại đó không đƣợc bố trí cốt thép 
hợp lý để tham gia chịu kéo, nƣớc sẽ thấm qua 
*
 Bộ môn Địa cơ - Nền móng, khoa Kỹ Thuật Xây Dựng, 
Trường Đại Học Bách Khoa - Đại Học uốc Gia 
ThànhPhố Hồ Chí Minh 
 Email: lebavinh@hcmut.edu.vn 
các vết nứt gây ngập úng tầng hầm, rỉ sét cốt 
thép và thậm chí có thể không đảm bảo khả 
năng chịu lực cho kết cấu (Hình 1). 
Hình 1: Áp lực đẩy nổi gây nứt sàn hầm 
 và thấm nước 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 78 
I. H. Wong (2001) đã đƣa ra phƣơng án sử 
dụng cọc chịu kéo (tension piles) để chống lại 
lực đẩy nổi (hình 2). Loại cọc thông thƣờng 
đƣợc sử dụng là cọc ống thép nhồi bê tông 
(micropiles), các cọc này cần phải đƣợc sơn phủ 
epoxy hoặc mạ kẽm nhúng nóng. 
Hình 2: Nhóm cọc chịu kéo, chống lại đẩy nổi 
Ji-wen Zhang et al (2019) đã đƣa ra mô hình 
thí nghiệm trong phòng để khảo sát lực đẩy nổi 
tác động lên kết cấu ngầm trong điều kiện xuất 
hiện dòng chảy. Kết quả nghiên cứu cho thấy 
lực đẩy nổi khi xuất hiện dòng chảy lớn hơn 
trƣờng hợp nƣớc tĩnh. 
Trong nghiên cứu này, tác giả thực hiện phân 
tích tác động của áp lực nƣớc đẩy nổi đối với các 
công trình có 1, 2, 3, 4 và 5 tầng hầm. Mục đích là 
để so sánh nội lực trong sàn hầm khi có xét và 
không xét đẩy nổi. Từ đó đƣa ra các đánh giá cụ 
thể về tác động của tải trọng đẩy nổi, làm cơ sở để 
có phƣơng án thiết kế kết cấu hợp lý cho sàn hầm. 
Căn cứ vào TCVN 2737:1995, tác giả đề 
xuất 02 tổ hợp để phân tích nhƣ sau: 
Tổ hợp 1 (TH1): 1.1DL + 1.1SDL + 1.2LL 
(không xét đẩy nổi). 
Tổ hợp 2 (TH2): 1.0DL + 1.0SDL + 1.2ALN 
(xét đẩy nổi). 
Trong đó, DL là tải trọng bản thân kết cấu, 
SDL là tải trọng hoàn thiện, LL là hoạt tải sử 
dụng và ALN là áp lực nƣớc đẩy nổi. 
2. ĐÁNH GIÁ TÁC ĐỘNG CỦA ĐẨY 
NỔI ĐỐI VỚI SÀN HẦM 
2.1. Phân tích, đánh giá tác động của đẩy 
nổi đối với sàn tầng hầm khi cao độ mực 
nƣớc ngầm không đổi 
Để mức độ đánh giá có tính phổ biến, tác giả 
sử dụng các ô sàn có nhịp từ 3m, 4m, 5m, 6m 
đến 7m để phân tích. Bảng 1 trình bày các thông 
số đầu vào cho các mô hình xét. 
Bảng 1: Bảng thông số đầu vào dùng trong 
mô phỏng 
Số 
tầng 
hầm 
Chiều 
sâu 
tầng 
hầm 
cuối so 
với 
MĐ TN 
(m) 
Chiều 
dày 
sàn 
hầm 
cuố i 
(mm) 
Tải 
hoàn 
thiện 
SDL 
(kN/m2
) 
Hoạt 
tải sử 
dụng 
LL 
(kN/m2
) 
Áp lực 
nước 
đẩy nổ i 
(kN/m2)
* 
1 -3.5 300 1.0 5.0 -15 
2 -7.0 400 1.0 5.0 -50 
3 -10.5 600 1.0 5.0 -85 
4 -14.0 800 1.0 5.0 -120 
5 -17.5 1000 1.0 5.0 -155 
* Giả thiết cao độ mực nước ngầm là -
2.000m so với mặt đất tự nhiên. 
Các hình 3-6 nêu rõ cách khai báo các thông 
số. Các hình 7, 8 là kết quả hình dạng moment 
sàn cho 2 trƣờng hợp có và không có đẩy nổi. 
Hình 3: Mô hình ô sàn trong SAFE 2016 
Hình 4: Khai báo tải trọng hoàn thiện 
Hình 5: Khai báo hoạt tải sử dụng 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 79 
Hình 6: Khai báo tải đẩy nổi 
Hình 7: Moment sàn ứng với tổ hợp 1 
 - không xét đẩy nổi(kNm) 
Hình 8: Moment sàn ứng với tổ hợp 2 - 
 có xét đẩy nổi (kNm) 
Quy ƣớc giá trị moment là số dƣơng khi căng 
thớ dƣới, số âm khi căng thớ trên, kết quả phân 
tích cho thấy giá trị moment (kNm) nhƣ sau 
(Hình 9-13): 
Ô sàn có nhịp 3m: 
Hình 9: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và không xét đẩy nổi (nhịp 3m) 
Ô sàn có nhịp 4m: 
Hình 10: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và không xét đẩy nổi (nhịp 4m) 
Ô sàn có nhịp 5m: 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 80 
Hình 11: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và không xét đẩy nổi (nhịp 5m) 
Ô sàn có nhịp 6m: 
Hình 12: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và không xét đẩy nổi (nhịp 6m) 
Ô sàn có nhịp 7m: 
Hình 13: Biểu đồ so sánh moment sàn khi có xét và không xét đẩy nổi (nhịp 7m) 
Qua phân tích lực đẩy nổi tác động đến nội 
lực trong sàn và dầm, tác giả nhận thấy: 
Thớ căng của moment giữa tổ hợp 1 (không 
xét đẩy nổi) và tổ hợp 2 (có xét đẩy nổi) hoàn 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 81 
toàn ngƣợc nhau. Trong đó, tổ hợp 1 cho kết 
quả moment căng thớ dƣới tại nhịp và thớ trên 
tại gối, trong khi tổ hợp 2 cho kết quả moment 
căng thớ trên tại nhịp và thớ dƣới tại gối.Công 
trình càng có nhiều tầng hầm sâu, giá trị 
moment do áp lực đẩy nổi gây ra càng lớn, vì 
càng xuống sâu áp lực nƣớc càng tăng. Độ lớn 
moment tăng tuyến tính theo số lƣợng tầng hầm 
(Đồ thị hình 14, 15). 
Hình 14: Biểu đồ thể hiện giá trị moment thớ 
trên tại nhịp khi xét đẩy nổi (kNm) 
Hình 15: Biểu đồ thể hiện giá trị moment thớ 
dưới tại gối khi xét đẩy nổi (kNm) 
Chênh lệch về độ lớn của moment sàn giữa 
tổ hợp 2 (xét đẩy nổi) với tổ hợp 1 (không xét 
đẩy nổi) đối với công trình có số lƣợng tầng 
hầm là 1, 2, 3, 4 và 5 tƣơng ứng lần lƣợt là 0.6 
(0.7), 2.6 (3.0), 3.6 (4.0), 4.1 (4.7) và 4.5 
(5.2), (giá trị bên ngoài dấu ngoặc là tại nhịp, 
bên trong dấu ngoặc là tại gối). Mức độ chệnh 
lệch này tăng khi số lƣợng tầng hầm tăng. Bên 
cạnh đó, độ chênh lệch moment tại gối luôn 
lớn hơn nhịp. 
2.2. Phân tích, đánh giá tác động của 
đẩy nổi đối với sàn hầm giữa mùa khô và 
mùa mưa 
Cao độ mực nƣớc ngầm thay đổi giữa mùa 
mƣa và mùa khô ảnh hƣởng đến áp lực nƣớc 
đẩy nổi, khi ấy nội lực trong bản sàn cũng 
không giống nhau giữa hai mùa.Trong nghiên 
cứu này, tác giả chọn cao độ mực nƣớc ngầm 
vào mùa khô là -5.500m và mùa mƣa là -
2.000m kể từ mặt đất tự nhiên để phân tích. 
Số 
tầng 
hầm 
Chiều sâu tầng 
hầm cuối so với 
MĐTN (m) 
Chiều dày 
sàn hầm 
cuối (mm) 
Tải hoàn 
thiện SDL 
(kN/m
2
) 
Áp lực nƣớc 
đẩy nổi mùa 
mƣa (kN/m2) 
Áp lực nƣớc 
đẩy nổi mùa 
khô (kN/m
2
) 
1 -3.5 300 1.0 -15 0 
2 -7.0 400 1.0 -50 -15 
3 -10.5 600 1.0 -85 -50 
4 -14.0 800 1.0 -120 -85 
5 -17.5 1000 1.0 -155 -120 
 ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 82 
Để mức độ đánh giá có tính phổ biến, tác giả 
sử dụng các ô sàn có nhịp từ 3m, 4m, 5m, 6m 
đến 7m. 
Công trình có 1 tầng hầm: vì vào mùa khô 
đáy sàn nằm trên MNN nên giá trị moment 
gây ra bởi áp lực nƣớc bằng 0. Tuy nhiên khi 
vào mùa mƣa thì MNN dâng cao, áp lực đẩy 
nổi sẽ tác động vào sàn tầng hầm nhƣ đã trình 
bày ở 3.1. 
Sự chênh lệch moment giữa mùa mƣa và 
mùa khô khoảng 6.5 lần đối với công trình có 2 
tầng hầm. Gía trị chênh lệch này là 2 lần đối với 
công trình có 3 tầng hầm, 1.5 lần đối với công 
trình có 4 tầng hầm và 1.4 lần đối với công trình 
có 5 tầng hầm (Hình 16). 
Hình 16: Biểu đồ thể hiện chênh lệch moment 
giữa mùa mưa và mùa khô 
2.3. Nhận xét và thảo luận 
Khi thiết kế sàn tầng hầm nói riêng và công 
trình ngầm nói chung, cần xác định sự tồn tại của 
áp lực nƣớc đẩy nổi trong lớp địa chất ngay dƣới 
kết cấu ngầm, đặc biệt là trong nền đất bùn sét. 
Nhƣ đã phân tích, áp lực nƣớc đẩy nổi khác 
nhau ở các thời điểm trong năm, đặc biệt giữa 
mùa mƣa và mùa khô. Do đó, cần có kế hoạch 
quan trắc trong mùa mƣa để xác định đƣợc áp 
lực nƣớc đẩy nổi trong điều kiện bất lợi nhất. 
Khi đã xác định đƣợc áp lực nƣớc đẩy nổi tại 
khu vực khảo sát, tiến hành khai báo tải trọng 
này vào quy trình thiết kế kết cấu. Từ đó cho ra 
biểu đồ nội lực để tính toán tiết diện cấu kiện 
cũng nhƣ bố trí cốt thép tại vị trí hợp lý, phòng 
tránh đƣợc hiện tƣợng nứt sàn hầm do áp lực 
nƣớc đẩy nổi gây ra. 
3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 
Thớ căng của moment giữa tổ hợp 1 (không 
xét đẩy nổi) và tổ hợp 2 (có xét đẩy nổi) hoàn 
toàn ngƣợc nhau. Trong đó, tổ hợp 1 cho kết 
quả moment căng thớ dƣới tại nhịp và thớ trên 
tại gối, trong khi tổ hợp 2 cho kết quả moment 
căng thớ trên tại nhịp và thớ dƣới tại gối. 
Chênh lệch về độ lớn của moment giữa tổ hợp 
2 với tổ hợp 1 đối với công trình có số lƣợng 
tầng hầm là 1, 2, 3, 4 và 5 tƣơng ứng lần lƣợt là 
0.6 (0.7), 2.6 (3.0), 3.6 (4.0), 4.1 (4.7) và 4.5 
(5.2), (giá trị bên ngoài dấu ngoặc là tại nhịp, 
bên trong dấu ngoặc là tại gối). Mức độ chệnh 
lệch này tăng khi số lƣợng tầng hầm tăng. Bên 
cạnh đó, độ chênh lệch moment tại gối luôn lớn 
hơn nhịp. Vì vậy, công trình càng có nhiều 
tầng hầm sâu, giá trị moment do áp lực đẩy nổi 
gây ra càng lớn, vì càng xuống sâu áp lực nƣớc 
đẩy nổi càng tăng. 
Tác động của áp lực đẩy nổi đối với dầm sàn 
tầng hầm vô cùng nguy hiểm vì làm đổi thớ 
căng của moment, do đó phải đƣợc xét đến 
trong thiết kế kết cấu để tính toán bố trí cốt thép 
hợp lý. Khi bỏ qua áp lực đẩy nổi trong thiết kế 
dễ dẫn đến hiện tƣợng nứt sàn hầm do ứng suất 
kéo xuất hiện mà tại đó không đƣợc bố trí cốt 
thép đủ để tham gia chịu kéo, nƣớc sẽ thấm qua 
các vết nứt gây ngập úng tầng hầm, rỉ sét cốt 
thép và thậm chí có thể không đảm bảo khả 
năng chịu lực cho kết cấu. 
Khi nghiên cứu ảnh hƣởng của thời tiết đến 
tác động của áp lực nƣớc đẩy nổi đối với sàn 
tầng hầm cho kết quả là nội lực mùa mƣa lớn 
hơn mùa khô. Cụ thể, sự chênh lệch giá trị 
moment giữa mùa mƣa và mùa khô tại khu vực 
Quận 2, TP. Hồ Chí Minh khoảng 6.5 lần đối 
với công trình có 2 tầng hầm. Gía trị chênh lệch 
này là 2 lần đối với công trình có 3 tầng hầm, 
ĐỊA KỸ THUẬT SỐ 2 - 2020 83 
1.5 lần đối với công trình có 4 tầng hầm và 1.4 
lần đối với công trình có 5 tầng hầm. 
Tóm lại, tác động của áp lực đẩy nổi đối với 
dầm sàn tầng hầm vô cùng nguy hiểm vì làm 
đổi thớ căng của moment, do đó phải đƣợc xét 
đến trong thiết kế kết cấu để tính toán bố trí cốt 
thép hợp lý. 
TÀI LIỆU THAM KHẢO 
[1] TCVN 2737:1995, Tải trọng và tác động - 
Tiêu chuẩn thiết kế. 
[2] I. H. Wong, “Methods of resisting 
hydrostatic uplif in substructures,” Tunnelling 
and Underground Space Technology, 2001. 
[3] Ji-wen Zhang et al, “Buoyancy Force 
Acting on Underground Structures considering 
Seepage of Confined Water”,Hindawi, 2019 
[4] CSi Analysis Reference Manual, 2017 
Người phản biện: PGS.TS. NGUYỄN VĂN DŨNG