Bài giảng Công trình bến trọng lực

Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-1 Chương 4. CÔNG TRÌNH BẾN TRỌNG LỰC. 4.1.Cấu tạo chung của công trình bến trọng lực. 4.1.1. Khái niệm chung (1) Công trình bến trọng lực là loại công trình thỏa mãn điều kiện ổn (chống lại được ngoại lực) nhờ vào trọng lượng bản thân công trình và phần lắp trên nó. (2) Công trình bến trọng lực bao gồm có nhiều loại - Khối xếp thông thường và khối xếp có khối giảm tải; - Công trình bến trọng lực kiểu tường góc neo ngoài và neo trong; - Công trình bến trọng lực kiểu thùng chìm, trục ống đường kính lớn. (3) Công trình bến trọng lực được xây dựng ở những nơi địa chất tốt: nền đất chặt cứng ít lún, nền đá, đất cát chặt... 4.1.2. Cấu tạo chung Công trình bến trọng lực gồm 4 bộ phận chính: 4.1.2.1. Kết cấu bên trên Dùng để liên kết các khối của công trình chính lại với nhau. Tạo thành mặt phẳng phía trước bến cho tầu neo đậu dễ dàng đồng thời là nơi lắp đặt các thiết bị đệm tàu và khắc phục những thiếu sót khi thi công các khối xếp. Kết cấu của kết cấu bên trên có thể là dầm mũ (đối với công trình bến trọng lực tường góc), tường góc nhỏ, hoặc các khối bê tông nhỏ được xây bằng vữa xi măng cát. 1 2 3 4 Hình 4_ 1 Các bộ phân công trình bến trọng lực. 4.1.2.2. Kết cấu chính của công trình: Là phần chịu lực chính của công trình, được cấu tạo bởi các khối bê tông, các tường góc, trụ ống đường kính lớn hoặc kết cấu thùng chìm bằng bê tông cốt thép, thép trong công trình đây là bộ phận có trọng lượng lớn nhất quyết định sự ổn định của công trình dưới tác dụng của tải trọng ngoài. 4.1.2.3. Lớp đệm đá Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-2 Kết cấu được tạo bởi các viên đá hộc thả tự do tạo thành lớp đệm. Nhiệm vụ: - Tạo ra một mặt phẳng để đặt kết cấu chính công trình; - Làm giảm áp lực do công trình truyền xuống đất nền; - Bảo vệ nền đất dưới đáy công trình dưới tác dụng của sóng, dòng chảy, ảnh hưởng của chân vịt tầu; G ϕ ϕσmax minσ maxσ σmin Hình 4_ 2 Sơ đồ truyền lực qua lớp đệm đá. - Tạo điều kiện cho nước phía sau công trình thoát ra phía trước dễ dàng; - Tạo điều kiện cho công trình liên kết chặt chẽ với đất nền. 4.1.2.4. Đất lấp sau tường Sử dụng đất cát hoặc đá hộc, cần chú ý xây dựng tầng lọc ngược để ngăn đất sau công trình trôi ra phía khu nước. 4.2. Cấu tạo công trình bến kiểu khối xếp. Công trình bến kiểu khối xếp gồm hai loại: 1 2 3 4btn2 1 3 4 ≥ 1m≥ 2m ≥1 m 4a 3 4a 1 2 ≥ 0,3m a) b) Hình 4_ 3 Cấu tạo công trình bến kiểu khối xếp a – Kiểu khối xếp thông thường; b – Kiểu khối xếp có giảm tải. 4.2.1. Cấu tạo công trình bến trọng lực kiểu khối xếp thông thường. 4.2.1.1. Kết cấu bên trên: Thường là khối bê tông cốt thép đổ tại chỗ hoặc là các khối bê tông nhỏ được xây theo kiểu hình bậc thang vữa xi măng cát. (mác bê tông các khối 200 ÷ 250). 4.2.1.2. Kết cấu chịu lực chính: Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-3 Là các khối bê tông mác 200 ÷ 250 xếp thành lớp theo dạng bậc để đảm bảo điều kiện ổn định trọng lượng 1 khối 25 ÷ 60T tùy theo cần trục. - Để toàn bộ công trình làm việc có tính chất toàn khối thỏa mãn điều kiện ổn định khoảng cách các khe giữa lớp trên và dưới theo phương ngang tn ≥ (0,8 ÷ 0,9m), theo phương dọc td ≥ ( 0,6÷ 0,8)m. - Kích thước của khối phải tuân theo quy định sau: 3≥ cao dµi ; 1≥ cao réng dt cao réng dµi Hình 4_ 4 Sơ đồ xếp so le khối theo phương thẳng đứng. - Việc chọn kích thước của từng khối là vấn đề rất khó khăn vì vừa phải thỏa mãn kích thước các khối theo tỷ lệ trên, vừa bảo đảm số lượng loại khối không quá nhiều đồng thời vừa bảo đảm khoảng cách so le giữa khối trên và dưới tn, td, trọng lượng các khối phải phù hợp với sức nâng của cầu trục. Đặc biệt là ở những chỗ tiếp giáp các đoạn bến thường là khó xác định kích thước nhất. Ưu điểm: Kết cấu đơn giản, thi công không yêu cầu cầu trục có sức nâng lớn. Nhược điểm: Tốn vật liệu, nền chịu lực lệch tâm lớn, hiện nay ít được dùng. 4.2.1.3. Lớp đệm: Thường là đá hộc, trọng lượng một viên ≥ 15kg/1viên. Chiều dầy lớp đệm thường ≥ 1,0 mét trong trường hợp đất nền là nền đá cứng có thể làm lớp đệm bằng các bao xi măng bề dầy tổng cộng của các bao ≥ 0,50m. 4.2.1.4. Vật liệu lấp sau tường: ϕ/245°- 1 : 1 2-3m Hình 4_ 5 Một số dạng khối đá giảm tải sau bến. Vật liệu lấp sau tường có thể bằng đá hoặc bằng cát. Để giảm áp lực đất tác dụng lên tường trong nhiều trường hợp người ta sử dụng khối lăng thể đá giảm tải (4a) kết hợp Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-4 với cát lấp phía sau (4b). Giữa cát và khối đá giảm tải phải có tầng lọc ngược để ngăn không cho cát chui vào khối đá giảm tải. Áp lực gây trượt do lăng thể trượt gây ra nên người ta thường dùng vật liệu có ϕ càng lớn càng tốt. Khoảng cách ụ được tính toán theo điều kiện kinh tế, nhưng thường lấy a = 2 ÷ 3m. Ghi chú: Khi có lăng thể đá giảm tải trọng tính toán áp lực đất cần xét điều kiện xuất hiện áp lực phụ thêm do việc khối đá giảm tải không thay thế hết lăng thể trượt. (điều 66-BCH 3-67). 4.2.2.Cấu tạo công trình bến khối xếp có khối giảm tải Công trình bến trọng lực có khối xếp giảm tải có cấu tạo cơ bản như công trình bến có khối xếp thông thường tuy nhiên có những điểm khác như sau: - Để áp lực công trình truyền xuống đất nền đều hơn, để giảm áp lực đất tác dụng lên tường người ta cấu tạo khối xếp giảm tải có kích thước lớn trọng lượng từ 100 ÷ 120T; - Kết cấu bên trên có cấu tạo kiểu tường góc BTCT hoặc là khối bê tông cốt thép được đổ tại chỗ; - Theo mặt cắt ngang mỗi một hàng chỉ xếp một khối và các khối được xếp lệch nhau, vì vậy khi xếp phải kiểm tra khoảng cách của khối xếp dưới cùng (nhô ra khu nước nhiều nhất) đến đáy tàu phải lớn hơn 0,30m để đảm bảo an toàn cho tầu. Ưu điểm: Tốn ít vật liệu hơn so với khối xếp thông thường, áp lực công trình truyền xuống đất nền tương đối đồng đều hơn. Nhược điểm: thi công khó khăn, đòi hỏi cầu trục có sức nâng lớn. 4.3.Cấu tạo công trình bến trọng lực dạng tường góc. Công trình bến trọng lực dạng tường góc neo trong và tường góc neo ngoài. Cấu tạo mỗi loại đều bao gồm dầm mũ, tường mặt, bản đáy và hệ thống neo. 4.3.1.Sơ bộ định kích thước 4.3.1.1. Công trình bến tường góc neo ngoài. - ha = (0,25 ÷ 0,35)Ht; 2 t n H t ≤ ; 2 n n t h ≥ - B = (0,65 ÷ 0,8)Ht; hđ = (0,3 ÷ 0,4)m; a = 0,50m - b = 1,20m. 4.3.1.2. Công trình bến tường góc neo trong - ha = (0,25 ÷ 0,35)Ht; B = (0,7 ÷ 1,0)Ht - hd = (0,35 ÷ 0,50)m; a = 1,00m; b = 1,20m - α = 45o ÷ 55o; Bk = 0,1B. Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-5 1 6 7 5a 4 3h® ha t H 2 a b B nh nt 5b 6 4 H t b a 2 B ®h 5b ha 3 5a 1 α xB Hình 4_ 6 Cấu tạo công trình bến trọng lực. a – Tường góc neo ngoài; b- Tường góc neo trong. 4.3.2. Mô tả cấu tạo 4.3.2.1. Dầm mũ 1). Cấu tạo: Bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ, mác 200 ÷ 300#. Có mặt cắt ngang hình chữ nhật hoặc là hình thang vuông. Chiều rộng đỉnh: b = 0,4 ÷ 1,0; Chiều rộng đáy: B = 0,6 ÷ 1,20; Chiều cao: h = 0,8 ÷ 1,5m; Các kích thước khác: e1; e2 = 0,2 ÷ 0,3 m; a = 0,5 ÷ 1,0 m; Khi tường mặt bằng cọc ván thép dầm mũ cần được kéo sân xuống dưới mực nước thấp thiết kế 0,2m. Cäc v¸n thÐp b a e2 e1 B h MNT 0, 2m Hình 4_ 7 Cấu tạo dầm mũ. Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-6 Nhiệm vụ. + Liên kết tất cả các cọc tường mặt lại với nhau tạo thành bức tường liền bằng phẳng treo thiết bị đệm tàu cho tàu neo đậu bốc xếp hàng hóa. + Khắc phục sai sót trong thi công. Bảo vệ đầu cọc tường mặt, đặc biệt là cọc ván thép. 4.3.2.2. Tường mặt. 1)Cấu tạo: Tường mặt thường được cấu tạo bằng các cọc bê tông cốt thép hay bằng thép (cọc ván thép), có điều là các cọc này không được đóng sâu vào trong đất mà được ghép lại với nhau thành từng mảng rồi đặt trực tiếp lên các bản đáy. 2)Hình dáng, kích thước + Cọc bê tông cốt thép tiết diện chữ nhật: b = 0,45 ÷ 0,50 kích thước cọc theo chiều dọc bến; h = 0,25; 0,30; 0,35; 0,4; 0,45 kích thước cọc theo chiều ngang bến. h b Hình 4_ 8 Cọc BTCT tiết diện chữ nhật. + Cọc bê tông cốt thép tiết diện chữ T, Π : bc hc b h Hình 4_ 9 Cọc BTCT tiết diện chữ T. bc: Chiều rộng cánh 1,2 ÷ 1,6m đặc biệt Bc = 2,0 là kích thước cánh chữ T theo chiều dọc bến nằm về phía khu nước. hc = (0,15 ÷ 0,2)m là chiều dày cánh T b = 0,3 ÷ 0,4m là chiều rộng của sườn chữ T (nằm về phía khu đất). h = 0,3 ÷ 1,2m là chiều cao của tiết diện chữ T. + Cọc bê tông cốt thép tiết diện tròn (cọc ống): Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-7 D δ Hình 4_ 10 Cọc BTCT tiết diện tròn. D = 0,8 ÷ 2,0 mét đường kính cọc δ = 0,1 ÷0,20 mét chiều dày cọc nói chung các cọc tường mặt thường được chế tạo bằng bê tông cốt thép ứng suất trước. - Liên kết giữa các cọc + Cọc ván thép: bao gồm nhiều dạng: phẳng; chữ Z; lòng máng; chữ I: Ph¼ng Ch÷ Z Lßng m¸ng Ch÷ I Hình 4_ 11 Hình dạng cọc ván thép. Liên kết giữa các cọc là liên kết khóa: Hình 4_ 12 Tiết diện ngang. + Cọc chữ nhật: R·nh - R·nhGê - R·nh Hình 4_ 13 Liên kết cọc chữ nhật. + Cọc chữ T, Π : - Ván khuôn - Bê tông liên kết Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-8 1 2 TÇng läc ng−îc 1 2 Kho¸ thÐp Hình 4_ 14 Liên kết cọc T + Cọc ống Bu lông liên kết Ván khuôn Bê tông bịt khe hở 1 2 3 Hình 4_ 15 Liên kết cọc ống. Ghi chú: Các cọc tường mặt bằng BTCT mác ≥ 300. 3) Bản đáy: Bằng BTCT, phía trước có gờ để giữ chân tường mặt. Đối với tường góc neo ngoài bản đáy có cấu tạo tiết diện ngang hình chữ nhật còn đối với tường góc neo trong bản đáy thường có dạng chữ T vì thường dùng sườn chữ T làm điểm gắn neo. Bản đáy thường được chia thành từng phân đoạn để đúc sẵn sau đó cẩu lắp đặt trên tầng đệm vì vậy tầng đệm cần phải được san bằng phẳng. Kích thước bản đáy theo chiều dọc bến cần được tính toán để sao cho khi lắp giữa tường mặt và bản đáy được ăn khớp, đặc biệt số cọc trong một mảng tường mặt phải được nằm trọn trên một bản đáy. Mặt khác khi phân chia tường mặt và bản đáy cần chú ý đến sức nâng của cần trục. 4) Tầng đệm: Giống như công trình bến trọng lực kiểu khối xếp. 5) Đất lấp sau tường: Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-9 Thường sử dụng cát vì vậy giữa đất lấp sau tường và tầng đệm phải bố trí tầng lọc ngược, mặt khác nếu các khe giữa tường mặt và bản đáy ở chân tường đủ lớn thì tại đây cũng phải bố trí tầng lọc ngược. 6) Hệ thống neo a) Tường góc neo ngoài: Gồm có thanh neo và gối neo (gối neo thường cấu tạo dạng bản neo bê tông cốt thép, hoặc bằng bê tông cốt thép khi tường mặt bằng cọc ván thép). Thanh neo có tiết diện tròn, cấu tạo bằng thép có đường kính và chiều dài xác định qua tính toán. Khoảng cách giữa các thanh neo bằng: la = n(b+∆) Trong đó: - la: Khoảng cách giữa các thanh neo; - b: Kích thước cọc theo chiều dọc bến; - ∆: Khoảng cách giữa các cọc; - n: Số cọc nằm giữa hai thanh neo. Nếu là cọc bê tông cốt thép hình chữ nhật thì la = (1,5 ÷ 2,5)m để cho đường kính thanh neo không quá lớn; quá nhỏ - Vị trí điểm gắn neo trên mặt bằng: + Cọc tiết diện chữ nhật thanh neo bố trí giữa hai cọc; + Cọc tiết diện chữ T thanh neo được gắn vào sườn chữ T; + Cọc ống thanh neo được bố trí vào giữa cọc; + Cọc ván thép thanh neo bố trí giữa cọc phía trong. 1 2 lala bb bb bb bb Hình 4_ 16 Bố trí hệ thống neo trên mặt bằng 1 – Thanh neo; 2 – Bản neo Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-10 Hình 4_ 17 Vị trí gắn neo trong mặt bằng. - Khi chiều dài thanh neo lớn thì phải hàn nối các thanh thép tròn lại với nhau hoặc là dùng tăng đơ: A ALiªn kÕt t¨ng ®¬ ren hai ®Çu ng−îc chiÒu Liªn kÕt hµn A - A A - A Hình 4_ 18 Các hình thức liên kết thành neo. - Liên kết giữa thanh neo và tường mặt và bản neo thường là liên kết chít hoặc là ê cu. Bản neo bằng bê tông cốt thép. Nếu tường mặt là cọc ván thép thì bản neo thường bằng thép. Một bản neo thường chịu 2 thanh neo. b) Tường góc neo trong: Cấu tạo đơn giản chỉ gần thanh neo và các chi tiết kế thanh neo ở tường mặt và bản đáy. Đường kính thanh neo được xác định qua tính toán. Tuy nhiên trường hợp thanh neo được bằng bản chống (bản tựa bê tông cốt thép). Lúc này bản đáy và bản tựa thường được đúc liền khối. Tường đứng thẳng dày 0,25m trên suốt cả chiều cao, từ đoạn mực nước thay đổi tăng lên 0,40m. Chiều dày bản đứng tăng dần từ 0,20m tại mép đến 0,50 tại chân bản tựa, bản tựa dày 0,20m. Ngoài ra còn loại tường góc chỉ có tường đáy và bản đáy đúc thành một khối. Về kết cấu nó giống như một tường chắn đất thông thường, dùng cho bến có độ sâu bé (6 ÷ 7)m, còn độ sâu lớn hơn chỉ thích hợp khi thi công khô. Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-11 +2,50 +0,00 -0,50 0,7 +0,80 -1,50 0,4 1,5 1,0 -8,75 -8,25 7,55 1,0 0,35 -1,50 T−êng gãc kh«ng neo T−êng gãc b¶n chèng a) b) Hình 4_ 19 Cấu tạo. a – Tường góc không neo; b – Tường góc có bản chống. 4.4. Giới thiệu tính toán chung công trình tính toán bến trọng lực. 4.4.1. Nguyên tắc làm việc của công trình bến trọng lực. Dưới tác dụng của tải trọng ngang do áp lực đất, hoặc tải trọng khai thác trên bến, công trình bến trọng lực bị mất ổn định lật qua điểm O (cạnh trước đế công trình), mất ổn định trượt phẳng theo các mặt phẳng tiếp giáp giữa đế công trình và tầng đệm (OM) mặt trượt nămg trong tầng đệm MP. Công trình ổn định được là nhờ vào trọng lực bản thân của nó (E) để gây ra mô men chống lật; lực ma sát chống trượt. EG MO NFP ms Hình 4_ 20 Nguyên tắc làm việc của công trình bến trọng lực. 4.4.2. Kiểm tra độ lệch tâm của công trình. Để đảm bảo điều kiện về độ lún không đều cho phép của công trình. Hợp lực các lực thẳng đứng không vượt ra ngoài “lõi tiết diện”. Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-12 σmax maxσ G ' B/3 B/3 B/3 a e B/3 45 'σmax o σmax a G B/3 45σmin h n o 'σmin e B/3 O b)a) Hình 4_ 21 Độ lệch tâm của công trình. Độ lệch 6 b e ≤ (4. 1) hoặc 3 b a ≥ (4. 2) Đối với công trình trên nền đá cho phép hợp lực các lực thẳng đứng vượt ra ngoài lõi tiết diện với 5 b e = Trong các công thức (4.1), (4.2) các ký hiệu: a – khoảng cách từ mép trước công trình tới điểm đặt hợp lực, xác định theo công thức: G MM a lg −= (4. 3) e - độ lệch tâm của điểm đặt hợp lực: e = 0,5b – a (4. 4) b – Chiều rộng đế công trình; Mg – mô men giữ (mô men của các lực giữ đối với mép trước); Ml – mô men lật (mô men của các lực lật đối với mép trước); G – tổng các lực thẳng đứng tác động lên đế công trình. 4.4.3.Kiểm tra ứng suất pháp ở hai đầu mép đế công trình (tiếp giáp giữa công trình và tầng đệm) [ ]xmaxmin b e b G σ≤⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ±=σ 61 (4. 5) Khi không thoả mãn điều kiện (4.1), (4.2): [ ]xmax a G σ≤=σ 3 2 (4. 6) Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-13 Trong đó: max minσ - là ứng suất lớn nhất và nhỏ nhất ở mép đế công trình (tiếp giáp với lớp đệm đá); [ ]xσ - áp lực cho phép trên đệm đá lấy tuỳ thuộc vào mác cường độ đá, có kể đến điều kiện ngập nước của nó. 4.4.4. Ứng suất pháp ở mép ngoài mặt tiếp giáp giữa lớp đệm đá và đất nền Xác định điều kiện truyền tải trọng qua lớp đệm đá theo góc nghiêng 45o bằng công thức sau: [ ]rxn n max min max min hh'b 'b σ≤δ++σ=σ 2 (4. 7) max minσ - là ứng suất pháp lớn nhất và nhỏ nhất trên đất nền và ở mép ngoài mặt tiếp giáp giữa đất nền và lớp đệm đá; b’ – chiều rộng tính toán, trên chiều rộng này áp lực được truyền từ công trình xuống lớp đệm. Khi thoả mãn điều kiện (4.1), (4.2) thì b = b’; khi không thoả mãn điều kiện đó thì b = 3a; δx – dung trọng lớp đệm đá; [ ]rσ - áp lực cho phép trên đất nền, lấy theo báo cáo địa chất công trình; hn – chiều dày lớp đệm đá được xác định từ điều kiện áp lực cho phép trên đất nền: [ ] [ ] [ ]( ) k rmax k kk k kr n 'b'b'b h γ σ−σ−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛ γ γ−σ−γ γ−σ≥ 24 2 4 2 2 (4. 8) Các ký hiệu đã dẫn ở trên. 4.4.5. Kiểm tra ổn định chống lật glo MM.K ≤ (4. 9) Ko – Hệ số an toàn ổn định chống lật: Ko = (1,5÷1,6); Ml; Mg – mô men lật và mô men giữ. 4.4.6.Kiểm tra ổn định trượt phẳng Khi mất ổn định trượt phẳng công trình có thể bị trượt theo mặt phẳng tiếp giáp giữa đế công trình và tầng đệm, hoặc trượt theo mặt phẳng nằm trong tầng đệm (MP – hình 4.14). f.GE.Kc ≤ ( 4. 10) Kc = 1,1; 1; 1,5; 1,2 (BCH 3/67) Trong đó: Kc – hệ số an toàn ổn định khi trượt phẳng; E – tổng các lực ngang tác động lên công trình; G – như trên; Chương 4. Công trình bến trọng lực. 4-14 f – hệ số ma sát đế công trình với lớp đệm có thể lấy bằng 0,50. 4.4.7. Kiểm tra ổn định chung theo mặt trượt trụ tròn. Khi tính toán ổn định chung của công trình trọng lực cần xác định tâm trượt nguy hiểm nhất (tâm trượt ứng với hệ số ổn ddịnh trượt nhỏ nhất) tâm trượt này được xác định trong số các mặt trượt đi qua mép sau đế tường (điểm K) và mép sau của tầng đệm (điểm M) sau khi xác định được hệ số ổn định trượt nhỏ nhất. M K R1 2R ϕ 1 ϕ Hình 4_ 22 Kiểm tra ổn định trượt cung tròn công trình bến trọng lực.