Giáo trình Công trình bến cảng - Chương 5: Công trình bến tường cọc

Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-1 Chương 5. CÔNG TRÌNH BẾN TƯỜNG CỌC. 5.1. Khái niệm và phân loại công trình bến tường cọc 5.1.1. Khái niệm: Công trình bến tường cọc là loại kết cấu tường mỏng gồm nhiều cọc riêng lẻ đóng sát nhau sâu vào trong đất, ổn định của nó là nhờ phần cọc đóng vào trong đất và hệ thống neo giữ của tường mặt. 5.1.2.Phân loại: Tuỳ theo quan điểm mà tường cọc có thể phân thành các loại: 5.1.2.1. Theo trạng thái làm việc: Tường cừ được phân thành tường cừ tự do, cừ không neo và cừ có neo (tường cừ một neo, hai neo hay nhiều neo). 5.1.2.2. Theo vật liệu làm cừ: Có thể phân làm ba loại chính gồm: bến tường cừ gỗ, bến tường cừ thép và bến tường cừ bê tông cốt thép . 1) Công trình bến tường cừ gỗ: Thường được sử dụng ở những địa phương có nhiều gỗ, ở vùng nước không có hà, môi trường xâm thực ít. Gỗ ngập hoàn toàn trong nước sẽ tăng tuổi thọ, do đó có thể dùng gỗ làm các bến tường cừ đặc biệt là tường cừ không neo. Các loại bến này thích hợp với chiều sâu nhỏ không lớn hơn 3m. 2) Công trình bến tường cừ thép: Có ưu điểm tăng chiều cao của bến do sức chịu vật liệu cao nhất là cừ có neo, tầng neo càng nhiều càng giảm chiều sâu đóng cọc. Tiết dạng cừ nhiều dạng: cừ phẳng, chữ Z, chữ T, chữ I... Một ưu điểm nữa là cọc cừ cứngvà dài nên đóng được vào nhiều loại đất. Liên kết giữa các cọc cừ là khóa thép nên ngăn giữ đất lấp sau tường rất tốt. Nhược điểm của cừ thép là dễ bị ăn mòn do nước biển cho nên phải bảo vệ bằng cách sơn quét nhựa đường và các miếng kẽm chịu ăn mòn thay cho cọc ván thép. Loại này tốn nhiều thép cho nên giá thành thường cao. Chiều dài cừ thép trong khoảng (12÷30)m, vì vậy cừ thép được ứng dụng nhiều cho các loại bến dọc bờ có chiều sâu trước bến (10÷12)m. 3) Công trình bến tường cừ bê tông cốt thép: So với cừ thép cừ bê tông cốt thép chống tác động ăn mòn của nước biển tốt hơn song chiều sâu trước bến có phần giảm. Trong trường hợp làm bằng cọc bê tông cốt thép ứng suất trước thì tiết kiệm được vật liệu và còn đóng được cả vào đất cứng. Đối với nước ta sử dụng loại công trình này còn cho phép sử dụng được nguồn vật liệu địa phương. Với tường bến cao 10m thì cọc có thể dài 25m dày 0,5m nặng tới 15 tấn. Vì cọc dài và nặng nên thi công khó đảm bảo chất lượng, khó đóng sít, để ngăn đất lấp sau tường trôi ra ngoài cần phải dùng biện pháp hàn bít đặc biệt đó là vấn đề khó khăn trong thi công. Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-2 5.2. Cấu tạo công trình bến tường cọc không neo 1. DÇm mò 2. T−êng mÆt 3a. TÇng läc ng−îc 3c. C¸t (®Êt lÊp sau t−êng) 3b. Khèi ®¸ gi¶m t¶i 3b1 2 3c 3a 5 4 4. BÝch neo 5. §Öm va Hình 5_ 1 Cấu tạo công trình bến tường cọc không neo. Công trình bến tường cọc không neo có những bộ phận chính sau: dầm mũ, tường mặt, đất lấp sau tường, ngoài ra còn có kết cấu đậu tàu và bích neo tàu. 5.2.1. Dầm mũ. Dầm mũ của tường góc thường được làm bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ, nhiệm vụ của nó là nối liền tất cả các cọc trong tường mặt làm thành bức tường liền và tạo thành một mặt phẳng trước bến để lắp đặt thiết bị đậu tàu tạo điều kiện cho tàu đậu bốc xếp hàng hoá một cách an toàn thuận tiện. Để thi công nhanh, đảm bảo chất lượng người ta còn làm dầm mũ đổ tại chỗ có các bản mặt lắp ghép bằng bê tông cốt thép thay cho các ván khuôn. Trường hợp tường mặt là cọc ván thép thì dầm mũ còn có tác dụng bảo vệ cọc không bị môi trường xâm thực, khi đổ dầm mũ phải bao trùm tường mặt dưới mực nước thấp thiết kế 0,2m. 5.2.2.Cấu tạo tường mặt Tường mặt của công trình bến tường cọc gồm nhiều cọc đơn được đóng liền, liên kết với nhau tạo thành bức tường. 1) Tường mặt là cọc bê tông cốt thép bao gồm các tiết diện sau: - Tiết diện hình chữ nhật, kích thước tiết diện bxh: 50x25; 50x30; 50x35; 50x40; 50x45. Để chống hiện tượng đất lấp sau tường trôi ra ngoài khu nước người ta sử dụng các dạng liên kết sau: b h Gê - R·nh R·nh - R·nh Hình 5_ 2 Tiết diện và liên kết cọc chữ nhật BTCT. Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-3 - Tiết diện chữ T, kích thước: bc = 1,2÷2,0m hc = 0,15÷0,20m b = 0,3÷0,4m h = 0,45÷0,75m b h ch cb Hình 5_ 3 Tiết diện cọc chữ T BTCT 60 25 Hình 5_ 4 Liên kết cọc chữ T BTCT - Tiết diện tròn – cọc trụ ống kích thước: D = 0,8÷2,0m δ = 0,10÷0,20m D δ Hình 5_ 5 Tiết diện và liên kết cọc ống BTCT. 2) Tường cọc là cọc ván thép Ph¼ng Ch÷ Z Lßng m¸ng Hình 5_ 6 Tiết diện cọc ván thép. Liên kết giữa các cọc là liên kết khoá. Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-4 Hình 5_ 7 Liên kết cọc ván thép. 5.2.3. Đất lấp sau tường: Thường dùng hai loại vật liệu là cát và đá hộc. Cát có góc ma sát giữa các hạt ϕ = 20÷35o Đá hộc có góc ma sát giữa các viên đá ϕ = 41÷45o Đất lấp sử dụng đá hộc có lợi về mặt chịu lực (làm giảm áp lực đất chủ động tác dụng lên tường mặt) song giá thành lại cao, vì vậy người ta kết hợp khối đá giảm tải và cát để lấp lòng bến. 3x4 1x2 20cm 20cm 20cm H−íng dßng ch¶y Hình 5_ 8 Cấu tạo tầng lọc ngược. Giữa cát và đá người ta xử lý tầng lọc ngược để chống hiện tượng cát theo dòng nước ngầm trôi vào lăng thể đá. Tầng lọc ngược được cấu tạo ba lớp có kích thước hạt lớn dần theo chiều dòng nước ngầm, mái dốc của tầng lọc ngược từ 1:1 đến 1:1,25. 5.3.Công trình bến tường cọc một tầng neo. Ngoài các bộ phận chính như: dầm mũ, tường mặt, đất lấp sau tường ra công trình bến tường cọc một tầng neo còn có thêm hệ thống bao gồm: thanh neo và gốc neo. 5.3.1.Thanh neo. Thường làm bằng gỗ, bê tông cốt thép tuy nhiên thông dụng nhất là sử dụng loại thanh neo bằng thép tròn. Đường kính và chiều dài thanh neo được xác định qua tính toán. 1) Khoảng cách giữa các thanh neo la = n(b + ∆) n - số cọc nằm giữa hai thanh neo; b - Kích thước cọc theo phương dọc bến; ∆ - Khoảng cách giữa hai cọc: Cọc BTCT tiết diện chữ nhật ∆=2÷5cm; Cọc chữ T liên kết khoá ∆=0; Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-5 Cọc chữ Tt liên kết khác ∆=8÷10cm; Cọc ván thép ∆=0. al al b bb bb bb b Hình 5_ 9 Bố trí hệ thống neo trên mặt bằng. Để đường kính thanh neo không quá lớn và quá bé chọn: la = 1,5÷2,5m. 2) Điểm gắn neo H t h a t n h n Hình 5_ 10 Điểm gắn neo theo mặt cắt ngang. - Theo mặt cắt ngang: ha = (0,25÷0,35)cm; (5. 1) nn th 2 1≥ (5. 2) tn Ht 2 1≤ (5. 3) Theo mặt bằng với cọc bê tông cốt thép hình chữ nhật thanh neo gắn với hai cọc, cọc chữ T thanh neo gắn vào sườn chữ T, cọc ống thanh neo bố trí vào giữa cọc, cọc ván thép thanh neo bố trí giữa cọc phía trong. Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-6 Hình 5_ 11 Điểm gắn neo trên mặt bằng. 5.3.2. Gối neo 1) Bản neo: Được sử dụng trong trường hợp khu đất đủ rộng để bố trí hệ thống neo và lực neo tác dụng lên tường mặt nhỏ. Bản neo gồm hai loại: - Loại bản neo bằng BTCT sử dụng khi tường mặt là cọc BTCT; - Loại bản neo thép sử dụng khi tường mặt bằng cọc và thép. 2) Cọc đơn, cọc chụm đôi Nếu lực neo không lớn, khu đất phía sau hẹp có thể dùng loại cọc đơn hoặc cọc chụm đôi làm gối neo. 3) Tường cọc neo Nếu lực neo lớn thì phải dùng tường neo, tường neo thường sử dụng khi tường mặt là cọc bê tông tiết diện chữ T, cọc ống. Tường neo cũng là giải pháp thích hợp khi khu đất phía sau hẹp. 5.4.Tính toán công trình bến tường góc một tầng neo. 5.4.1. Nguyên tắc làm việc, biểu đồ áp lực thực tế Dưới tác dụng của áp lực đất chủ động do trọng lực bản thân của đất và do tải trọng khai thác trên bến gây ra, tường cọc có xu hướng dịch chuyển về phía khu nước. Để chống lại sự dịch chuyển đó và giữ cho tường ổn định thì tường cọc phải đóng sâu vào đất một chiều sâu t nào đó để gây ra được áp lực bị động Eb và hệ thống nên có áp lực giữ Ra’. q E 1 2 3 4 5 c' 'bE Ec Eb 'Ra o Hình 5_ 12 Sơ đồ tính và sơ đồ biến dạng của tường góc một tầng neo Biểu đồ biến dạng thực tế 1 – Áp lực đất bị động; 2 – Vùng áp lực đất chủ động. 3 – Vùng áp lực đất bị động; 4 – Vùng áp lực đất bị động; 5 – Vùng áp lực đất chủ động Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-7 5.4.2.Tiêu chuẩn đánh giá tường cứng, tường mềm Tính toán tường cọc có một tầng neo tiến hành theo hai sơ đồ tường cứng và tường mềm. Tường mềm là tường được coi là ngàm chặt hoàn toàn trong đất. Tường cứng là tường tựa tự do trong đất hoặc ngàm một phần trong đất. Tiêu chuẩn để đánh giá tường cứng tường mềm người ta dựa vào tỷ số t δ . Trong đó: δ - chiều cao của tiết diện chữ nhật bê tông cốt thép tính đổi của tường mặt; t – là chiều sâu chôn cọc tính toán với giả thiết tường mềm; Trường hợp đối với cọc bê tông cốt thép mác 300÷400 ta có: 3 12 ∆+=δ b J (5. 4) Trong đó: b - kích thước tiết diện cọc theo phương dọc của bến; J – mô men quán tính của cấu kiện tường bê tông cốt thép; ∆ - chiều rộng thiết kế của khe giữa các cấu kiện bê tông cốt thép của tường. Khi 060, t ≤δ tường cọc được coi là tường mềm và tính tường theo sơ đồ tường mềm, 060, t >δ tường cọc được coi là tường cứng và tính tường theo sơ đồ tường cứng. Ghi chú: Đối với cọc ván bê tông cốt thép tiết diện chữ nhật chiều cao tính đổi của tiết diện bằng chiều cao thực có (δ = h); Tường mặt là cọc ván thép luôn luôn được tính theo sơ đồ mềm; Trường hợp tường mặt làm bằng các cấu kiện bê tông cốt thép có mác lớn hơn 400 thì: 3 12 ∆+=δ b nJ .(5. 5) Trong đó: 300E E n c= (5. 6) Ec – mô đuyl đàn hồi của cọc; E300 – mô đuyl đàn hồi của cọc bê tông cốt thép mác 300. 5.4.3- Trình tự tính toán công trình bến tường cọc một tầng neo 1) Hoàn thiện kết cấu, xác định các kích thước của bến, xác định mặt phẳng tính toán và tải trọng tác dụng lên trên bến. Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-8 2) Giả định chiều sâu chôn cọc ta vẽ biểu đồ áp lực đất chủ động, bị động, vẽ biểu đồ áp lực đất tổng hợp. 1 0 A 2 3 5 4 6 ymax 7 C 8 9 10 BEb Ra 7 8 t o t t t o h q Hình 5_ 13 Tính toán công trình bền tường góc một tầng neo. 3) Chia biểu đồ áp lực đất tổng hợp thành những đoạn có chiều cao mỗi đoạn (0,5÷1,0)m. Thay áp lực đất phân bố tác dụng lên tường ở từng đoạn thành những lực tập trung. 4) Vẽ đa giác lực: Tương tự như đa giác lực trong tính toán tường cọc không neo, chỉ khác tia đầu tiên không vẽ vuông góc với mặt đất mà nên vẽ nghiêng. o o1 6 5 4 3 2 1 0 o' 10987 6 5 4 3 2 1 Eb' η Hình 5_ 14 Đa giác lực. 5) Vẽ đa giác dây: Tia đầu tiên vẽ từ mặt đất gặp cao trình gắn neo kéo dài tại A. Các tia còn lại vẽ tương tự như tường cọc không neo. Điều kiện khép kín của đa giác dây: - Khi tính toán tường mềm: tia khép kín của đa giác dây vẽ qua giao điểm của đường phân giác neo với tia đầu tiên cắt tia cuối cùng ứng với cao trình giả định chiều sâu chôn cọc to sao cho mô men uốn ở nhịp và mô men ngoài bằng nhau. Mnh = Mng hoặc Mnh = (1,10÷1,15)Mng (5. 7) Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-9 - Khi tính toán tường cứng: tia khép kín của đa giác dây vẽ qua giao điểm của đường phân giác neo và tia đầu tiên (A) tiếp tuyến với đường cong đa giác dây trong tính toán (C). 6) Xác định các giá trị tính toán của tường mặt tường cọc một tầng neo a). Xác định mô men lớn nhất tác dụng lên một mét dài tường mặt Tường mềm: η= 1yM max (5. 8) Tường cứng: η= maxmax yM (5. 9) b). Xác định mômen tác dụng lên một cấu kiện ( )∆+= b K M M c maxtt (5. 10) Kc – hệ số tính đều sự giảm áp lực đất lên tường do biến dạng và chuyển vị của tường. Trị số Kc phụ thuộc vào tỷ số h δ . Trong đó: δ - chiều cao tiết diện tính đổi; h – chiều cao từ neo đến đáy. Bảng 5_ 1 Bảng xác định hệ số Kc Hệ số Kc STT Vật liệu lấp sau tường δ/h ≤ 0,04 0,04 < δ/h <0,1 δ/h ≥ 0,1 1 Cát 1,35 1,20 1,00 2 Đá 1,50 1,35 1,00 c) Xác định chiều sâu chôn cọc t = to + ∆t (5. 11) ( ) ( ) ⎥⎦⎤⎢⎣⎡ ⎟⎠⎞⎜⎝⎛ ϕ−+λγ−ϕ++λγ∑+ =∆ 2 452452 oo ctgtctghq E t con ' biii ' b (5. 12) Sơ bộ chọn t = (1,15÷1,20)to. to – chiều sâu chôn cọc giả định. 7) Tính toán thanh neo a).Xác định đường kính thanh neo [ ] ασ= cos R ,d ' a a 131 (cm 2, m2) (5. 13) aaa ' a R.l.KR = là ứng lực trong thanh neo; Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-10 Ka – hệ số xét đến sự làm việc không đều của các thanh neo, Ka = (1,3÷1,5); Ra – phản lực neo được xác định trong đa giác lực (tính với 1 mét dài bến); la – khoảng cách của các thanh neo, la = (1,5÷2,5). b) Xác định chiều dài thanh neo theo phương pháp vẽ C' o45 -ϕ2 /2 ϕ45 -o 1 /2 ϕ1 'D F ' E''A maxL minL B C A Hình 5_ 15 Xác định chiều dài thành neo bằng phương pháp vẽ. - Vùng đất A’C’E’ không ổn định; - Vùng đất nằm dưới C’D’E’F’ ổn định nhưng không phát huy hết khả năng của áp lực đất bị động; - Vùng đất trên E’F’ ổn định, Eb là lớn nhất. 8) Tính toán gối neo (bản neo) a)Tính ổn định Công thức kiểm tra: KôđRa ≤ Eb – Ea Trong đó: Kôđ - hệ số an toàn về ổn định; Eb - áp lực đất bị động tổng hợp; Ec – tổng hợp lực của áp lực đất chủ động có xét đến tải trọng khai thác trên bến (hình vẽ). Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-11 ϕ45 -o 2 /2 Ra n h t n cE (q + t )lnγ cγ n bt l q h >n nt 2 Hình 5_ 16 Tính toán ổn định gối neo. b) Tính độ bền - Tính cho bản: phương Ab và CD coi bản là một dầm đơn giản chịu tải trọng phân bố đều: ( ) nn na b hl 'lR q ∆+= (T/m2) (5. 14) ln, hn – chiều dài và chiều cao của bản; Ra – phản lực neo trong tính toán đồ giải; ∆’ – khoảng cách giữa các bản kế cận nhau. - Tính cho gờ: phương AD và BC dầm được coi là ngăn ở giữa chịu tải trọng phân bố đều: ( ) n na g h 'lR, q ∆+= 50 (T/m) (5. 15) Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-12 h naR A B D C la gq ' ' gê gê b¶n bq + __ + _ Hình 5_ 17 Tính toán độ bền gồi neo. 9) Kiểm tra ổn định trượt cung tròn và kiểm tra ổn định trượt phẳng. 5.5- Tính toán công trình bến tường cọc không neo,kiểm tra ổn định chung theo mặt trượt cung tròn. 5.5.1- Điều kiện kiểm tra ổn định chung theo mặt trượt cung tròn 1) Ở trong nền đất công trình liền bờ (trực tiếp dưới đáy hoặc cách một độ sâu nào đó) có lớp đất yếu mà dọc theo lớp đất đó có thể xảy ra trượt và mất ổn định công trình. 2) Khi ở phần đất sau công trình, nơi truyền vào vùng giới hạn mặt trượt có thể có tải trọng gấp 3 đến 4 lần tải trọng vùng mép bến. 5.5.2- Sơ đồ tính toán ổn định trượt. Khi tính toán ổn định chung của công trình bến tường cọc theo mặt phẳng trượt cung tròn, tâm trượt nguy hiểm nhất phải được chọn trong số các mặt trượt đi qua mũi cọc. Trong đó tâm trượt nguy hiểm là tâm trượt có hệ số ổn định trượt là nhỏ nhất. ϕn – góc ma sát của đất nền; O1 – tâm trượt; Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-13 qi – tải trọng khai thác trên bến; R – bán kính cung trượt. O1 1q 2q 3q R ϕn Hình 5_ 18 Sơ đồ tính toán ổn định trượt. 5.5.3- Cách xác định tâm trượt nguy hiểm 1) Tính toán ổn định trượt toàn bộ công trình theo mặt trượt cung tròn mà nội dung của nó là phải xác định được tâm trượt nguy hiểm trong đó tâm trượt nguy hiểm là tâm trượt có hệ số ổn định trượt nhỏ nhất (Kminmin). 2) Nguyên tắc xác định tâm trượt nguy hiểm theo phương pháp đúng dần, nghĩa là người ta tìm tâm trượt có hệ số ổn định trượt nhỏ nhất theo phương nằm ngang và sau đó người ta tìm tâm trượt có hệ số ổn định trượt nhỏ nhất theo phương dọc (phương thẳng đứng) đó chính là tâm trượt có hệ số ổn định trượt nhỏ nhất. Trong đó hệ số an toàn về ổn định K bằng tỷ số giữa mô men của các lực chống trượt và gây trượt lấy với tâm trượt được biểu thị bằng công thức tổng quát sau: ( )( ) 11OM OM K gtr ctr ∑ ∑= (5. 16) Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-14 I II K5 2-3m 1-2m Kminmin Omin K4 K2 O2 Ominmin O1 O4 K1 O3 O5 K3 O3 1- 2m x y qq1 q2 3 y i ix E F N tgi ϕ i iN Gi Ti iC li l = EFi Hình 5_ 19 Cách xác định tâm trược nguy hiểm 3) Xác định hệ số ổn định trượt theo phương pháp phân mảnh Giả sử công trình bến tường cọc mất ổn định trượt cung tròn thì mặt trượt phải đi qua mũi cọc, với tâm trượt giả định là O1 ta vẽ được mặt trượt và xác định được khối đất trượt. Chia khối đất trượt ra thành n mảnh bằng nhau bằng các mặt phẳng thẳng đứng. Xét mảnh thứ i; gọi xi và yi là toạ độ điểm đặt lực Gi của mảnh đó (điểm đặt lực Gi tại điểm giữa của li, tức là EF/2). Với ( )[ ]ixii bpgG += kxii hbg γ∑= (5. 17) Trong đó: hk – chiều cao của các lớp đất có dung trọng γk tương ứng. Trường hợp đất đồng nhất iii hbg γ= với hi là chiều cao mảnh thứ i; px – tải trọng tương ứng thuộc mảnh đất i có chiều rộng bi; Rb i ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ÷= 20 1 10 1 là chiều rộng của mảnh thứ i. Phân lực Gi làm hai thành phần: tiếp tuyến và pháp tuyến ta có: iii sinGT α= (tiếp tuyến); iii cosGN α= (pháp tuyến). Phân tích lực: - Lực gây trượt: Ti. Chương 5. Công trình bến tường cọc. 5-15 - Các lực chống trượt: Nitgϕ; Cili. Lấy mô men với tâm trượt O1: [ ] ii iiiii sinGR lCtgcosGR K α∑ ∑+ϕα∑= (5. 18) Chú ý: cosαi = yi/R sinαi = xi/R Từ đó ta có: ii iiiii xG lCRtgyG K ∑ ∑+ϕ∑= (5. 19) 4) Xác định tâm trượt nguy hiểm theo phương pháp đúng dần: Theo kinh nghiệm tâm trượt đầu tiên O1 được chọn cách mép bến (1÷2)m, cao hơn mặt công trình (1÷2)m, tính hệ số ổn đinh K1. Trên đường nằm ngang vẽ qua O1 ta giả định tâm trượt O2, O3 và xác định hệ số ổn định trượt K2, K3. Từ ba điểm O1, O2, O3 dựng đường vuông góc với phương ngang có tung độ Ki, nối các đầu mút của Ki ta được đường cong và sẽ xác định được Kmin tương ứng với Omin theo phương ngang. Tại Omin ta vẽ đường vuông góc với phương ngang và trên đó ta giả định ít nhất hai tâm trượt O4, O5 và tương tự trên ta cũng vẽ được đường cong qua đầu mút các tung độ K4, K5 từ đó xác định được tâm trượt nguy hiểm nhất.