Thiết kế tường cừ chắn đất sau bến

THIẾT KẾ TƯỜNG CỪ CHẮN ĐẤT SAU BẾN I Mục đích Thiết kế cừ chắn đất tách rời hoàn toàn với bến: áp lực đất của bãi phía sau hoàn toàn không truyền vào kết cấu bến. II Chọn kết cấu tường mặt cừ. Xét mặt cắt tại vị trí cừ có chiều cao tự do lớn nhất: - Cao độ mặt đất tự nhiên: -9.2m. - Cao độ mặt bãi: +2.3m. - Mực nước cao thiết kế:+1,3m - Mực nước thi công:+0,3m (lấy với tần suất P=50%) q=4T/m2 MNTT +1.3 +2.3 C B A O SƠ ĐỒ TƯỜNG BẾN I RA Cát san lấp þ=40 T/m Bùn sét þ=3.25 T/m Cát hạt trung þ=31.05 T/m O O O O -22.1 -9.2 Chiều cao tự do cây cư ø(tính từ mặt đất tự nhiên tại vị trí mặt cắt đang xét) Lo= +2.3 –(-9.2)=11.5 (m) Theo 22TCN 219-94: chọn kết cấu tường cừ 1 tầng neo (bảng 2 trang 7) III. Tác động của các loại tải trọng lên tường mặt: Do kết cấu tường chắn đất cho bãi hoàn toàn tách rời kết cấu bến nên tải trọng của kết cấu bến (đã tính ở phần trên) không tác động đến sự làm việc của cừ. Tải trọng tác động lên tường mặt chủ yếu là thành phần áp lực ngang chủ động và bị động của đất có xét ảnh hưởng tải trọng hàng hoá q. Xác định tải trọng hàng hoá q: Tải hàng hóa phân bố đều trên mặt bến q=4T/m2 IV. XaÙc định áp lực đất chủ động, bị động tác dụng lên cừ tường mặt đất. 1 Xác định các hệ số áp lực đất chủ động và bị động. . Hệ số áp lực đất chủ động: λai = tg2 (450 –i/2) . Hệ số áp lực đất bị động λbi =tg2(450 + i/2) Bảng xác định các hệ số áp lực đất. Lớp Lớp 1 Lớp 2 Lớp 3 φ 40,00 3,250 31.050 λa 0,2174 0,893 0.319 λb 4,6 1,12 3.13 2 Biểu đồ áp lực đất: a) Áp lực đất chủ động: Tính toán theo công thức: c ac ph aa *)*(*    Xác định các tung độ áp lực đất chủ động: PA= q. λa1 = 4 x 0,2174 = 0,87 (T/m) PO= PA + λa1. 1.AO =0,87 + 0,2174 x1,8 x 1,0 =1,26 (T/m) PB= PO + λa1. ’1.OB =1,26 + 0,2174 x 0,8 x 10,5 =3,1 (T/m) P‘B= PO + λa2. ’1.OB =1,26 + 0,893 x 0,8 x 10,5 = 8,76 (T/m) PC= P‘B + λa2. ’2.BC =8,76 + 0,893 x 0,47 x 12,9 =14,17 (T/m) P‘C= P‘B + λa3. ’2.BC =8,76 + 0,319 x 0,47 x 12,9 =10,69 (T/m) Từ phạm vi C trở xuống: Paz = P‘C + λa3. ’3.Z = 10,69 + 0,319 x 0,91x Z Paz =10,69 + 0.29 Z (Ứng với trục toạ độ Cz) BIỂU ĐỒ ÁP LỰC ĐẤT CHỦ ĐỘNG 0.87T/m 1.26T/m 8.76T/m 3.1T/m 14.17T/m 10.69T/m 10.69 + 0.29z b) Áp lực đất bị động. Tính toán theo công thức: c pc h pp *)*(*    * Xác định các tung độ áp lực đất bị động: PB= 0 PC= λb2 . ’2 x BC = 1,12 x 0,47 x 12,9 = 6,79 (T/m) P‘C =λb3 . ’2 x BC =3,13 x 0,47 x 12,9 = 18,98 (T/m) Từ phạm vi điểm C trở xuống Pbz = P‘C + λb3 . ’3 Z = 18,98 + 3,13 x 0,91 x Z = 18,98 + 2,85 Z A O B C 6.79 T/m 18,98 T/m 18.98 + 2.85z BIỂU ĐỒ ÁP LỰC ĐẤT BỊ ĐỘNG * Tổng biểu đồ áp lực đất: A O B C I TỔNG BIỂU ĐỒ ÁP LỰC ĐẤT RA 0.87T/m 1.26T/m 3.1T/m 8.76T/m 7.38T/m 8.29T/m 8.29 + 2.56Z V.Xác định chiều sâu chôn cừ bằng phương pháp đồ giải: 1. Bố trí thanh treo trên tường mặt: Thanh neo phải được gắn ở vị trí cao hơn mực nước thi công Chọn bố trí thanh neo cao hơn mực nước thi công 0,5m Vị trí thanh neo :+0,8 m 2 Phương pháp đồ giải: a) Chia nhỏ thành phần áp lực đất lên tường mặt như hình vẽ: b) Xác định các thành lực tập trung Pi: BẢNG TÍNH GIÁ TRỊ CÁC LỰC TẬP TRUNG TT ĐÁY NHỎ ĐÁY LỚN ĐƯỜNG CAO LỰC TẬP TRUNG 1 0.87 1.26 1 1.065 2 1.26 1.7 2.5 3.7 3 1.7 2.05 2 3.75 4 2.05 2.4 2 4.45 5 2.4 2.75 2 5.15 6 2.75 3.1 2 5.85 7 8.55 8.76 2 17.31 8 8.33 8.55 2 16.88 9 8.12 8.33 2 16.45 10 7.9 8.12 2 16.02 11 7.7 7.9 2 15.6 12 7.38 7.7 2.9 21.866 13 8.29 13.41 2 21.7 14 13.41 18.53 2 31.94 15 18.53 23.65 2 42.18 16 23.65 28.77 2 52.42 17 28.77 33.89 2 62.66 Các vị trí điểm đặt thành phần lực Pi thể hiện trên hình vẽ. A O B C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 RA I' 01 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 I F J ĐA GIÁC DÂY CÁC LỰC TẬP TRUNG TƯƠNG ĐƯƠNG CỦA ÁP LỰC ĐỨC BIỂU ĐỒ ÁP LỰC ĐẤT 1 02345891011 1716151413 0 712 12 6 ĐA GIÁC LỰC 3 .Xác định chiều sâu chôn cừ: t=t0 + t. Bằng phương pháp đồ giải ta xác định được : t0 = 20,76 (m) Ep = 92,9 (T) PO = 34,74(T/m) RA = 29,25(T/m)  = 20  t = Po Ep 2 = 74,34.2 9,92 =1,34 (m) Vậy độ sâu chôn cừ: t=t0 + t = 20,76 + 1,34 = 22,1 (m). Chiều dài toàn bộ của cừ tường mặt: L = Lo + t = 11,5 + 22,1 = 33,6 (m) VI. Chọn và tính toán cừ: 1. Chọn cừ: Chọn cừ Larssen 6 có momen kháng uốn tiết diện:[w] =3700 (cm3 ) với các thông số kỹ thuật: Chiều cao : h = 440 mm Chiều rộng: b = 420 mm Chiều dày bụng : d=22 mm Chiều dàythành: t=14 mm Momen quán tính tiết diện: J = 92452 cm4 Diện tích tiết diện: F= 420 cm2 2. Tính nội lực momen uốn: MN1MAX = y1MAX x  = 7,89 x 20 = 157,8 (T/m) MN2MAX = y2MAX x  = 7,73 x 20 = 154,6 (T/m) Giá trị momen uốn ở nhịp trong 1 cấu kiện tường mặt: Mtt = (Mmax.mc + Mk)(b + ) (Điều 220.15-22TCN 207-92) Mmax = x ymax = 157,8 (Tm/m)  : khoảng cách cực trong đa giác lực ymax: tung độ lớn nhất ở nhịp của đa giác dây . M: gia số momen uốn trong tường mặt do lực tựa tàu và lực va tàu khi cập bến, tính cho mặt cắt ở cao trình có tung độ lớn nhất của đa giác dây. M= 0 b: kích thước cấu kiện tường theo hướng mép bến. b= bcừ =420 mm = 0,42m mc: hệ số xét tới sự phân bố lại áp lực đất lên tường cừ, phụ thuộc vào tỷ số : c /l c = 0,42 m : chiều cao mặt cắt tính đổi.(theo điều 20.9,22TCN207_92) l: nhịp quy ước của tường mặt l= h + 0,667 to h: chiều cao từ điểm gắn thanh neo đến đáy bến. h= 10 m to= 20,76 m => c /l = 76,20667,010 42,0 x = 0,018 m Tra bảng 22,22TCN.207 cho đất đắp là đất cát. mc=0,75.  : khoảng hở thiết kế giữa các cấu kiện BTCT. = 0 (đối với cừ thép). => Mtt= 157,8 x 0,75 x 0,42 = 49,7 (T/m) Tiết diện cừ chọn phải thỏa điều kiện: Mtt  m.Ko  .w (theo trang 102. Công Trình Bến Cảng-NXBGTVT) W= ... Kom M tt Mtt :momen tính toán. m= 0,8 : hệ số làm việc. Ko=1,0 : hệ số đồng nhất của vật liệu làm cừ.  : ứng suất cho phép của vật liệu làm cừ.  = 2500 KG/cm2 ( Theo 7.14 22TCN 207.92 thép dùng cho cừ thép là loại BCT3 c4.) W: momen kháng uốn của tiết diện cừ. W = ... Kom M tt = 02485,0 2500.0,1.8,0 7,49  =>W=2485 cm3 < [W]=3700 cm3 Vậy cừ chọn là hợp lý. 3. Kiểm tra theo điều kiện quay của tường quanh điểm gắn thanh neo ( Điều 20.13 22TCN 207.92) nc.n.mđ.Mq nk m .Mg nc= 1 : lực số tổng hợp tải trọng. n= 1,25 : hệ số vượt tải. mđ= 1,5 : hệ số điều kiện làm việc ( Bảng 16 22TCN 207.92) m= 1,15 ( Điều 13.19 22TCN 207.92) kn: hệ số đảm bảo, kn = 1,15 đối công trình cấp III => 1,25 x 1,5 Mq  Mg. Mq = 104,1 x 16,45 + 22,2 x 5 = 1823,5 Tm Mg = 1,065x x 0,97 + 0,65x 0,25 +197,9 x 29,17=5773,9Tm => VT= 1,25 x 1,5 Mq = 1,25x1,5x1823,5=3419,1 Tm. VP= Mg = 5773,9 Tm. Vậy VT Điều kiện ổn định thoả. VII. Tính toán các bộ phận neo: Chiều dài thanh neo đuợc xác định như sau: Cát san lấp þ=40 T/m Bùn sét þ=3.25 T/m Cát hạt trung þ=31.05 T/m Lmin=31.82 Vậy chiều dài thanh neo là : Ln=31,82m 1) Thanh neo: a) Trị số thành phần nội lực trong thanh neo : ( Điều 20.18 22TCN 207.92) R’a = mb.ma.Ra.la. mb=1 : hệ số điều kiện làm việc. ma : hệ số xét sự phân bố lại áp lực lên tường mặt. ma =1,5 đối với thanh neo không căng trước. Ra = 44,25 T/m : phản lực thanh neo xác định theo đồ giải. la = 1,68 m : bước thanh neo dọc tuyến bến. => R’a = 1 x 1,5 x 29,25 x 1,68 = 73,71 (T). b) Đường kính thanh neo: Đường kính dây neo tính toán theo công thức: theo PL4-trang 142 22TCN207-92 cy R a R a mn c n n k a d  **cos , **** *13.1 với 0 m y yn R y R  thép BCT 2/23003 cmKg t C   05.1m tra giáo trình Kết Cấu Thép –Trần Thị Thôn  2/219 cmkg y R  ma =0,95 là hệ số phụ điều kiện làm việc (tra bảng 12 22TCN207-92) kn=hệ số đảm bảo .xét đến cấp công trình lấy theo trang 46 22TCN 207-92 Công trình cấp III kn=1.15 -nc –hệ số tổ hợp tải trọng lấy bằng 1.0 -n hệ số vượt tải n=1,25 9.0 c  hệ số điều kiện làm việc theo TCVN 44-70 Vậy đường kính dây neo là: 1*9.0*2190 73710*95.0*25.1*1*15.1 *13.1 **cos , **** *13.1  cy R a R a mn c n n k a d  =8,07cm Vậy chọn thép có đường kính da=80 mm 2.Tính toán bản neo: Giả sử: chiều sâu đỉnh bản neo : t1=2,0 m. Chiều sâu đáy bản neo : t2=4,0 m. Ra EaEb 12.42T/m 21.62T/m 2.33T/m 2.76T/m q=4T/m Điều kiện ổn định của bản neo đơn: nc.n.mđ. Ra  nk m ( Ep-Ea) . ( Điều 20.24 22TCN 207.92) nc=1 : hệ số tổng hợp tải trọng. n= 1,25 : hệ số vượt tải. mđ = 1,5 : hệ số điều kiện làm việc ( ổn định bản neo) m = 1,5 :hệ số điều kiện làm việc. kn= 1,15 : hệ số đảm bảo ( đối với công trình cấp III) Ra = 29,25 T/m : phản lực neo. Ea,Eb tổng áp lực đất chủ động và bị động tính từ phạm vi đáy bản đến mặt bãi. Eb-Ea = 52,04-8,23=43,81 (T) Ta có : 1 x 1,25 x 1,5 x 29,25 = 54,84 < 15,1 5,1 x 43.81 = 57,14 Vậy điều kiện kiểm tra ổn định bản neo thoã mãn Bố trí vị trí gắn thanh neo cách đáy bản neo : 0,5hb=0,5 x 2,1 =1.05(m) 3.Thiết kế bản neo kết cấu BTCT có gờ: Chiều dày bản : d= 0,3 m. Chiều cao bản : hb = 2 m. Chiều dài bản : lb = 3 m. Kích thước gờ : 0,3m x 0,3m. ( hình vẽ) Theo 20.15 22TCN 207.92, các nội lực M và Q trong bản neo bằng BTCT có gờ được xác định như sau: a) Trong bản: Xác định như trên 2 gối có 2 đầu công xôn chịu tải đều tên 1m2. qb= bb b xhl Ral )(  = 0,2 m khe hở giữa hai bản neo. Ra = 19,94 T qb2 = 23 25,29)2,03( x x =15,6 T/m2 Các giá trị nội lực tính được trên bản( Cắt ra 1m chiều dài).  Mb = 2 2ql = 2 3,06,15 2x =2,8 Tm.  Qb = 2 ql = 2 8,16,15 x =14,04 T b) Trong gờ: XaÙc định như trong dầm hổng ngàm ở cao độ gắn thanh neo ( giữa chiều cao gắn bản neo) qd= b ab h Rlx )(5,0  = 2 25,29)2,03(5,0 x = 23,4 T/m nội lực tính toán được trong dầm gờ: Md= 2 2ql = 2 14,23 2x =11,7 Tm Qd= 2 ql = 2 14,23 x =11,7 T qb dq M Q QQM c)Tính toán dầm mũ: Dầm mũ BTCT tiết diện chữ nhật 40x60 cm đổ tại chỗ. Dầm mũ tính toán như 1 côngxôn chịu áp lực ngang của đất. lk = Ea dầm mũ cừ lk: chiều dài côngxôn tính toán. Aùp lực chủ động của đất lên côngxôn. Với lk=lo+ 2 1 a Ea = 2 1  a1 x  1.l2k = 2 1 x 0,2174 x 1,8 x 0,3252 = 0,02.T Momen ngàm: M= 3 1 lk.Ea = 3 1 x 0,325 x 0,02 = 0,00216 T/m. Nội lực xuất hiện trong bản neo và dầm mũ nhỏ, bố trí thép cho dầm mũ và bản neo theo cấu tạo. VIII. Kiểm tra ổn định tường cừ: 1)Ổn định trượt phẳng: Sơ đồ tính thể hiện trên hình vẽ: 10.5 1 12.9 2.71T/m 3.12T/m Ea q=4T/m2 q=4T/m2 W1 G1 W2 G2 W3 G3 W4 G4 MNTT Eb Cát san lấp þ=40 T/m Bùn sét þ=3.25 T/m Cát hạt trung þ=31.05 T/m    31.82 5.20 5.43 9.20 12,9 11.5010.2 Trượt phẳng của cừ có neo xét đến cả khối đất giữ cừ và bản neo. Điều kiện ổn định là:    3 1i HwEaWi m (Eb+ W4). (1) m = 1,2 : hệ số điều kiện làm việc. Hw = 0 : áp lực do sóng. Ea : áp lự đất chủ động tác dụng lên bản neo. (hình vẽ) Ea = (2,71+3,12)x 2 1,2 =6,12 T. Eb : áp lực đất bị động giữ ở chân cừ. Eb = 2 9,1279,6 x +(18,98+45,2) 2 2,9 =339,02T W: với i=1.2.3. : lực gây trượt trong từng nguyên tố I có chiều rộng bị nằm trong lăng thể trượt chủ động của đất. Wi = )( iitg Gi   Với i =450 - 2 i . W4 : lực giữ do lăng thể bị động của bản neo. W4 = )4( 4 4  tg G Với 4 = 450 + 2 4 . Gi: trọng lượng bản thân từng nguyên tố đất. Gi =Fi1. 1 +  4 1n Fin’. n ’ Fi1: diện tích phần đất trên MNTT thuộc lớp đất 1 của dãi phân tố i. Fin’: diện tích phần đất nằm dưới MNTT của đất phân tố i. n1 , 'n : dung trọng tự nhiên và đẩy nổi của các lớp đất. Kết quả tính toán thể hiện trong bảng. Bảng tính các giá trị Gi i n 1 1' 2' 3' Gi(T/m) q b γ 1.8 0.8 0.47 0.91 F 5.2 54.6 67.08 23.92 γxF+qxb 30.16 64.48 52.32 42.56 q b γ 1.8 0.8 0.47 0.91 F 10.2 57.8 38.6 0 γxF+qxb 59.16 87.04 58.9 40.8 q b γ 1.8 0.8 0.47 0.91 F 5.195 26.04 0 0 γxF+qxb 9.35 42.5 21.72 21.72 γ 1.8 0.8 0.47 0.91 F 7.93 10.976 0 0 γxF 14.27 8.78 0 0 4 23.05 3 4 95.29 5.43 1 4 189.52 5.2 2 4 245.9 10.2 Bảng tính các giá trị Wi i 1 2 3 4 φ 31.05 3.25 40 40 α 29.48 43.38 25 65 G 189.52 245.9 95.29 23.05 W 107.23 232.48 44.5 -6.15 Ta có   3 1i Wi = 384,2(T).  VT(1) = 384.2 + 6,12 = 390,3 (T).  VP(1) = 1,2.(339,02 + 6,15) =414,2(T).  VT  VP Vậy ổn định trượt phẳng thoả. IX. TÍNH ĐỘ VÕNG CỦA CỪ: Độ võng của tường cừ ở mặt cắt i được xác định theo công thức: Fi= kB iM (Phụ lục 7/22TCN207-92) Trong đó: Møi = iy (hình vẽ) Bk= ExI : Độ cứng của cấu kiện cừ thép. + E=2.1x107 T/m2 + I=92452cm4 Sơ đồ tính toán độ võng cho cừ : A O B C 1 2 3 4 5 6 7 8 9 13 14 15 16 17 18 19 RAI BIỂU ĐỒ ÁP LỰC ĐẤT 10 11 12 BIỂU ĐỒ MOMENT UỐN J F 16 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 10 I' 13 14 15 17 Biểu đồ M yi P độ võng fi(m)  0Độ võng cừ lớn nhất fmax=0.084m. Với tính toán trên cừ đảm bảo làm việc độc lập với bến theo đề xuất.