Tài liệu Công trình bến cảng - Chương 2: Tải trọng tác động lên công trình bến

Nội dung text: Tài liệu Công trình bến cảng - Chương 2: Tải trọng tác động lên công trình bến

1. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. Chương 2. TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN CÔNG TRÌNH BẾN. 2.1.Tải trọng và tổ hợp tải trọng. 2.1.1. Các tải trọng tác động lên công trình bến Tùy theo tính chất và thưòi gian tác động của các tải trọng trên công trình bến người ta chia những tải trọng này thành hai loại: tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời. Trong đó các tải trọng tạm thời lại được phân ra ba nhóm. Tải trọng tạm thời tác động lâu dài, tải trọng tạm thời tác động tức thời (nhanh) và tải trọng tạm thời đặc biệt. 2.1.1.1. Tải trọng thường xuyên: Là tải trọng tác động lên công trình hay kết cấu công trình trong suốt quá trình khai thác, bao gồm: - Trọng lượng bản thân của công trình bến; - Trọng lượng đất lấp trên công trình bến; - Tải trọng do các công trình và thiết bị công nghệ đặt cố định trên bến; - Áp lực chủ động của đất lấp sau công trình bến. 2.1.1.2. Tải trọng tạm thời Là tải trọng tác động lên công trình trong một thời gian hoặc từng thời kỳ nhất định trong quá trình xây dựng và khai thác công trình. a) Tải trọng tạm thời tác động lâu dài: Tải trọng tác động lên công trình trong một thưòi gian tương đối dài. - Tải trọng do các máy bốc xếp di động, các phương tiện vận tải và hàng hóa xếp trên bến; - Áp lực chủ động của đất do ảnh hưởng của tải trọng tạm thời trên bến; - Áp lực thủy tĩnh do mực nước ngầm sau công trình bến cao hơn mực nước trước bến, trong điều kiện hệ thống công trình thoát nước ngầm của bến vẫn hoạt động bình thường. b) Tải trọng tạm thời tác động tức thời: Tải trọng tác động lên công trình trong một thời gian ngắn - Tải trọng do sóng; - Tải trọng do tàu: lực neo tàu, lực tựa tàu và lực va khi tàu cặp bến; - Tải trọng ngang do cần cẩu; - Tải trọng tác động trong giai đoạn xây lắp. c) Tải trọng tạm thời đặc biệt: Tải trọng tác động lên công trình trong thời gian ngắn, trong điều kiện đặc biệt 2-1
2. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. - Áp lực thủy tĩnh do mực nước ngầm sau công trình bến cao hơn mực nước trước bến, trong điều kiện chỉ có một nửa hệ thống công trình thoát nước ngầm còn hoạt động được; - Tải trọng do động đất, sóng thần. Các tải trọng nói trên được chọn để ghép vào với nhau thành nhiều tổ hợp khác nhau. Công trình bến được tính toán theo hai loại tổ hợp tải trọng: Tổ hợp cơ bản và tổ hợp đặc biệt. 2.1.2.Các tổ hợp tải trọng: Khi tính toán công trình bến hay kết cấu của nó người ta phải tổ hợp tất cả các tải trọng có thể đồng thời tác dụng lên công trình gây trạng thái ứng suất biến dạng bất lợi nhất cho công trình hay các bộ phận của nó. 2.1.2.1. Tổ hợp tải trọng cơ bản bao gồm: Các tải trọng thường xuyên, các tải trọng tạm thời tác động lâu dài và một trong số các tải trọng tạm thời tác động tức thời. Trong đó tải trọng tạm thời tác động tức thời được chọn đưa vào tổ hợp cơ bản phải là tải trọng gây ảnh hưởng nhiều nhất đối với trạng thái ứng suất, biến dạng của toàn bộ kết cấu hoặc của từng bộ phận kết cấu và nền công trình. ngoài ra phải lựa chọn thành phần và cách xếp đặt các tải trọng sao cho có được tổ hợp bất lợi nhất. 2.1.2.2) Tổ hợp tải trọng đặc biệt. Gồm các tải trọng thường xuyên các tải trọng tạm thời có khả năng xảy ra cùng một lúc và một trong số các tải trọng tạm thời đặc biệt. Trong đó các tải trọng tạm thời tác động nhanh được nhân với hệ số tổ hợp n1 = 0,8 để xét đến việc trong thực tế tải trọng tạm thời đặc biệt và các tải trọng tạm thời khác ít có xác suất đạt đến giá trị lớn nhất trong cùng một lúc. Ngoài những tải trọng kể trên, khi thiết kế công trình bến phải xem xét những tác động khác có ảnh hưởng đến an toàn và tuổi thọ công trình như khả năng đất nền bị bào xói do dòng chảy, sóng, hoặc chân vịt của tàu, khả năng các cấu kiện bị han gỉ hoặc bị tác động bao mòn của phù sa. Tải trọng dùng để tính toán kết cấu và nền công trình có thể có hai giá trị Tiêu chuẩn và tính toán. Việc sử dụng giá trị nào để tính toán phải phù hợp với quy định của từng bài toán cụ thể. Giá trị tiêu chuẩn của từng loại tải trọng được quy định trên cơ sở quan trắc những yếu tố tạo ra tải trọng đó và chỉnh biên các số liệu quan trắc bằng phương pháp xác suất thống kế. Giá trị tính toán của tải trọng được xác định bằng cách nhân giá trị tiêu chuẩn với hệ số vượt tải n. Nếu việc giảm nhỏ trị số của một tải trọng nào đó sẽ ảnh hưởng xấu đến khả năng chịu tải của công trình hoặc từng bộ phận công trình thì giá trị tính toán của tải trọng dó được xác định bằng cách nhân giá trị tiêu chuẩn với số nghịch đảo của hệ số vượt tải (1/n). Trong bảng 2.1 ghi giá trị hệ số vượt tải của các tải trọng thường gặp trong tính toán công trình bến. 2-2
3. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. Bảng 2_ 1 Giá trị vượt tải của một số tải trọng STT Tải trọng Hệ số vượt tải (n) 1 Trọng lượng bản thân của các kết cấu bê tông, bê tông 1,05 (0,95) cốt thép, thép, đá và gỗ 2 Trọng lượng bản thân của đất lấp 1,10 (0,90) 3 Trọng lượng của các máy bốc xếp, phương tiện vận tải 1,20 và hàng hóa xếp ở vùng ven bến 4 Tải trọng phân bố đều của hàng hóa xếp ở vùng 1,30 chuyển tiếp và vùng sau bến 5 Áp lực hông của đất 1,20 (0,80) 6 Tải trọng do tàu 1,20 7 Tải trọng do sóng 1,00 8 Áp lực thủy tĩnh của nước ngầm 1,10 9 Tải trọng do động đất 1,00 Ghi chú: - Các trị số trong ngoặc được lấy khi tính toán làm cho công trình nguy hiểm thêm. - Theo Tiêu chuẩn ngành 22TCN 207-92 hàng dùng hệ số vượt tải n = 1,25 thì không sử dụng các hệ số trong bảng trên. 2.2.Trọng lượng bản thân của các cấu kiện công trình bến. Trọng lượng bản thân của các cấu kiện công trình bến được xác định trên cơ sở kích thước hình học của cấu kiện và dung trọng vật liệu dùng để chế tạo ra cấu kiện đó. Trường hợp công trình nằm dưới mực nước tính toán, khi xác định trọng lượng các cấu kiện phải trừ đi lực đẩy nổi thủy tĩnh tác dụng lên cấu kiện. Trị số lực đẩy nổi thủy tĩnh bằng trọng lượng khối nước bị choán chỗ. Đối với vật liệu có cấu trúc đặc (kim loại, bê tông, bê tông cốt thép v.v ) dung trọng của vật liệu nằm dưới nước bằng: γ®n = γ -1 (2. 1) Trong đó: γ: dung trọng vật liệu trong không khí. Trọng lượng đất lấp tác động trên một đơn vị diện tích bề mặt nằm ngang của công trình lấy bằng tích số giữa dung trọng đất và chiều cao lớp đất lấp. Dung trọng đất trong trạng thái đẩy nổi (nằm dưới nước) được xác định có xét đến độ rỗng của đất theo công thức: γ -1 γ = r (2. 2) ®n 1+ ε Trong đó: γr : Tỷ trọng bình quân của các hạt rắn, thông thường; 3 γr = 2,65 ÷ 2,75 T/m ; ε: Hệ số độ rỗng. 3 Đối với đất cát trong tính toán thực tế có thể lấy γđn = 1,0 T/m . 2.3. Áp lực thủy tĩnh và tải trọng do sóng. 2-3
4. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. 2.3.1. Áp lực thủy tĩnh Áp lực thủy tĩnh tác động lên công trình bến xuất hiện khi mực nước trong lòng bến cao hơn mực nước trước bến. Nguyên nhân dẫn đến sự chênh lệch này giữa hai mực nước thường là do mực nước trước bến hạ xuống khi triều rút, khi chịu tác động của gió theo hướng từ bờ ra biển, hoặc khi mực nước dao động theo mùa cũng có khi, mực nước ngầm dâng lên do nước mưa rào hoặc nước thải ra từ các máy bốc xếp thủy lực. Có những loại kết cấu công trình bến có kảh năng thoat nước, nhờ đó áp lực thủy tĩnh của ngước ngầm haùa như không xuất hiện. Đó là những công trình bến có kết cấu dạng chuồng, dạng tường cừ bằng cọc bê tông cốt thép không có khóa liên kết, dạng tường trọng lực trên đệm đá có lăng thể giảm tải lòng bến v.v Áp lực thủy tĩnh của nước ngầm thường xuất hiện ở các công trình bến dạng tường cừ bằng thép đóng vào tầng sét, hoặc dưới chân tường có tầng sét, có tác dụng như tầng không thấm nước. Lớp đất được coi là tầng không thấm nước khi hệ số thấm của lớp đất đó nhỏ hơn 1/10 hệ số thấm của lớp đất lấp bên trên. Trong thực tế đã có trường hợp sau bến tường cừ mực nước ngầm cao hơn 3 ÷ 4 mét so với mực nước trước bến. Độ chênh mực nước đó đã làm mô men uốn trong cừ và nội lực trong thanh neo tăng lên 1,5 lần. Bởi vậy, khi kết cấu bến và tầng đất bên dưới có tác dụng ngăn nước thì khi thiết kế cần xét tới xây dựng hệ thống công trình thoát nước ngàm thích hợp đồng thời để lấp lòng bến phải dùng loại đất có hệ số thấm không nhỏ hơn 5m ngày đêm. Áp lực thủy tĩnh của nước ngầm có thể không cần xét đến trong những trường hợp sau: - Bến có kết cấu tường trọng lực đặt trên đệm đá với chiều dày lớp đệm đá trên 0,5m (không phụ thuộc gì vào độ thấm nước của nền đá và biện pháp kết cấu đã dùng để che chắn không cho đát lọt qua khe tiếp giáp giữa các cấu kiện); - Bến dạng tường góc họăc tường cừ có những khe tiếp giáp giữa các cấu kiện nằm cách nhau không quá 4 mét theo chiều dài bến và được che chắn bằng tầng lọc ngược (không phụ thuộc gì vào độ thấm nước của nền). Trong trường hợp khe tiếp giáp giữa các cấu kiện tường mặt của bến có cấu tạo không thấm nước (cừ thép liên kết khóa màn chắn bằng vật liệu tổng hợp v.v ) cần tính toán áp lực thủy tĩnh tác động lên công trình do mực nước ngầm cao hơn mực nước trước bến. Trong thực tế có thể có hai trường hợp tính toán sau đây. 2.3.1.1).Trường hợp 1 Bến tường cừ có chôn cừ nằm trong tầng không thấm nước (hình 2.1a) hoặc bến tường góc mà giữa bản đáy và tầng không thấm nước có lớp đệm đá dày không quá 0,5m (hình 2.1b). Trong trường hợp này áp lực thủy tĩnh xác định theo biểu đồ vẽ trên các hình 2.1a, và 2.1b, trong đó cột áp lực ∆h lấy bằng hiệu số độ cao giữa mực nước cao nhất và mực nước thấp nhất trước bến, tức là xem mực nước ngầm vẫn giữ nguyên ở cao độ mực nước cao nhất khi mực nước trước bến đã hạ đến vị trí thấp nhất do quá trình dao động mực nước theo ngày. Với chế độ dao động mực nước theo mùa và chiều dài tuyến bến trên 1000m, để dựng biểu đồ áp lực thủy tĩnh trị số ∆h được giảm di 10 ÷ 20%. 2-4
5. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. a) b) MNCN MN ngÇm MNTN σ= h MNTN h BiÓu ®å AL thuû tÜnh TÇng BiÓu ®å kh«ng ¸p lùc thÊm thuû tÜnh n−íc TÇng kh«ng thÊm n−íc c) MNCN MN ngÇm tÝnh to¸n MNTN BiÓu ®å 2 l AL thuû tÜnh 1 l 3 l TÇng kh«ng thÊm Hình 2_ 1 Sơ đồ tính áp lực thủy tĩnh của nước ngầm trên công trình bến. 2.3.1.2.Trường hợp 2 Bến tường cừ có chân tường đóng chưa đến tầng không thấm nước (hình 2.1c). Trong trường hợp này để dựng biểu đồ áp lực thủy tĩnh của nước ngầm cột nước ∆h được xác định riêng cho hai chế độ dao động mực nước, theo mùa và theo ngày. Đối với dao động mực nước theo mùa, cột nước ∆h có thể tính toán theo công thức của Shul. Vy.L ⎡ ⎛ K th .t ⎞⎤ ∆h = ⎢1− exp⎜− ⎟⎥ (2. 3) K th ⎣ ⎝ L ⎠⎦ Trong đó: Vy - Tốc độ hạ trung bình của mực nước trước bến (xác định theo đường quá trình mực nước); L - Chiều dài giả định của mạch thấm kth - Hệ số thấm của đất; t - Thời gian hạ từ mực nước cao nhất xuống mực nước thấp nhất. Công thức tính chiều dài giả định L của mạch thấm có dạng: 3 o l2 L = 2()1+ l1 / l2 ()l2 + l3 sin 45 (2. 4) l2 + l3 Trong đó: 2-5
6. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. l1 - Chiều sâu đóng cọc; l2 - Khoảng cách từ chân cọc đến cao độ mức nước cao nhất; l3 - Khoảng cách từ chân cọc đến bề mặt tầng không thấm nước. Nếu l3 > l1, thì công thức (2.4) thay l3 bằng l1. Trong thực tế tốc độ hạ của mực nước trước bến Vy thay đổi theo thời gian. Bởi vậy, khi cần tính toán cột nước ∆h một cách chính xác hơn có thể chia thời gian t của đường quá trình hạ mực nước trước bến ra làm nhiều thời đoạn để tính và dựng đồ thị biến thiên mực nước ngầm theo thời gian, từ đó tìm được trị số ∆hmax dùng làm cột nước tính toán của biểu đồ áp lực. Đối với chế độ dao động mực nước theo ngày, cột nước ∆h tính toán theo công thức. ⎛ k th .t ⎞ ∆h = Vy.t⎜1- ⎟ (2. 5) ⎝ 2.L ⎠ Trong trường hợp trên tường bến có áp lực thủy tĩnh của nước ngầm, khi xác định áp lực đất lên tường nên tính toán hiệu chỉnh dung trọng đất lấp nằm dưới mực nước ngầm theo công thức: γ®n = γ®n ± γn .i (2. 6) Trong đó: γđn- Dung trọng đất ở trạng thái đẩy nổi, xác định theo công thức (2.2); 3 γn- Dung trọng nước, lấy bằng 1,0T/m ; i- Độ dốc dòng thám, xác định theo mạng lưới thủy động hoặc tính gần đúng theo biểu thức: ∆h i = max (2. 7) L Trong công thức (2.6) dấu cộng được dùng đối với vùng áp lực chủ động của đất, dấu trừ được dùng đối với vùng áp lực bị động. 2.3.2. Áp lực do sóng Thường chỉ xét đến khi bến có kết cấu dạng tường cừ hoặc tường trọng lực và chiều cao sóng trên 0,5m. Trong trường hợp này tải trọng sóng lớn nhất hình thành khi chân sóng tiến đến mặt tường. 2-6
7. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. a) b) MNTT MNTT ζt ζt Hình 2_ 2 Biểu đồ áp lực sóng trên bến tường cừ(a) và bến trọng lực (b) Đối với bến tường cừ biểu đồ áp lực sóng có dạng như hình 2.2a, trong đó xem áp lực sóng chỉ tác động trong phạm vi từ mực nước tính toán đến cao độ đáy nước trước bến. Đối với bến tường trọng lực áp lực sóng xác định theo biểu đồ trên hình 2.2b. Độ chênh ζt giữa cao độ chân sóng và mực nước tính toán phụ thuộc vào các thông số tính toán của sóng (chiều cao sóng h và bước λ) và chiều sâu nước trước bến. Đại lượng ζt và các trung độ p của biểu đồ áp lực sóng xác định theo Quy phạm tính toán tải trọng và tác động trên công trình thủy. 2.4.Tải trọng do tàu 2.4.1. Tải trọng do gió, dòng chảy tác động lên tàu Tải trọng do tàu tác động lên công trình bến bao gồm ba loại tải trọng neo tàu, tải trọng tựa tàu và tải trọng va khi tàu cập bến. Nguyên nhân làm xuất hiện tải trọng neo tàu và tải trọng tựa tàu là tác động của gió lên phần nổi của tàu và tác động của dòng chảy lên phần tàu ngập nước. Khi gió và dòng chảy hướng ra phía khu nước thì tác động của chúng đẩy tàu tách khỏi bến và làm căng các dây neo, tạo ra tải trọng neo truyền vào công trình bến qua các bích neo. Nếu gió và dòng chảy tác động theo hướng ngược lại thì tàu bị đẩy áp vào bến, tạo ra tải trọng tựa tàu. Tải trọng va xuất hiện khi đưa tàu cập bến. Hình thành vào thời điểm tàu bắt đầu tiếp xúc với bến, trị số tải trọng va tăng dần và đạt giá trị lớn nhất khi toàn bộ động năng của tàu đã chuyển thành thế năng biến dạng của công trình bến và thiết bị đệm tàu trước bến. Để tính toán tải trọng neo tàu và tải trọng tựa tàu trước hết phải xác định tải trọng do gió và dòng chảy tác động lên tàu. 1) Thành phần ngang Wq(KN) và thành phần dọc Wn(KN) của tải trọng do gió tác động lên tàu, xác định theo công thức: −5 2 Wq = 73,6.10 AqVq ξ (2. 8) −5 2 Wn = 49,0.10 AnVn ξ (2. 9) 2-7
8. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. Trong đó: Aq; An - Diện tích hướng gió của tàu theo hướng mạn tàu và theo hướng mũi tàu, tính bằng m2; Vq và Vn - Thành phần ngang và thành phần dọc của tốc độ gió, lấy theo tần suất 2% cho thời gian vận tải thủy, tính bằng m/s; ξ - Hệ số xét đến tác động không đều của luồng gió được lấy theo bảng 2.2 tùy thuộc vào chiều dài hình chiều tàu tàu lên mặt phẳng vuông góc hướng gió. Bảng 2_ 2 Hệ số ζ. Chiều dài của hình chiếu tàu lên mặt phẳng vuông góc với hướng ≤ 25 25 ÷50 50 ÷100 ≥100 gió tính bằng n (Lth) Hệ số ξ 1,00 0,80 0,65 0,50 Khi tính diện tích hướng gió của tàu phải xét tác động che chắn gió của những vật cản nằm ở đầu gió bằng cách lấy diện tích hướng gió của tàu (Aq, An) trừ đi trị số tính đổi của diện tích che chắn gió Ac của các vật cản gió. Trị số tính đổi Ac có thể xác định theo công thức: Ac = (hb+αc.Hc)L (2. 10) Trong đó: hb - Chiều cao từ mặt bến đến cao độ mực nước cao nhất tính bằng m; Hc - Chiều cao trung bình của các vật cản, tính bằng m; L - Chiều dài vùng chắn gió, láy bằng chiều dài tàu Lt nếu Lt Lb tính bằng mét; αc - Hệ số chắn gió, xác định theo công thức: Hc Lc αc = 0,5 (2. 11) lc Lth Trong đó: lc - Khoảng cách trung bình từ các vật cản đến mép bến, tính bằng mét (khi lc<Hc thì lấy lc = Hc); Lc - Chiều dài hoặc tổng chiều dài các vật cản nằm trong giới hạn Lc ≤ Lth tính bằng m. Khi chiều dài bến Lb bé hơn chiều dài Lth của hình chiếu tàu lên mặt phẳng vuông góc hướng gió thì công thức (2.11) thay Lth bằng Lb. 2) Thành phần ngang Qa(KN) và thành phần dọc Na(KN) của tải trọng do dòng chảy tác động lên tàu, xác định công theo công thức: 2 Qa = 0,59AlVl (2. 12) 2 Na = 0,59AtVt (2. 13) Trong đó: 2-8
9. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. Al và At - Diện tích cản nước của tàu, theo hướng mạn tàu và theo hướng mũi tàu, tính bằng m2; Vl và Vt - thành phần ngang và thành phần dọc của tốc độ dòng chảy, lấy theo tần suất 2% cho thời gian vận tải thủy tĩnh bằng m/s. 2.4.2- Tải trọng neo tàu: Là tải trọng tập trung truyền lên công trình qua các thiết bị neo tàu bố trí trên bến.Trên hình 2.3 là sơ đồ phân bố tải trọng neo tàu S trên một bích neo, các thành phần ngang Sq, dọc Sn và thẳng đứng Sv. S v S S n α β MÐp bÕn S q Hình 2_ 3 Sơ đồ phân bố tải trọng neo tàu trên bích neo. Đối với bến tàu biển thành phần ngang Sq phân bố đều, tổng thành phần.ngang Qtot của tải trọng do gió và do dòng chảy tác động lên tàu (Qtot = Wq + Qa) cho các bích neo. Như vậy tổng hợp lực neo lên một bích neo (S) và các thành phần Sq, Sn và Sv được xác định bằng những biểu thức sau: Q S = tot (2. 14 nsin αcosβ Q S = tot (2. 15) q n Sn = Scosαcosβ (2. 16) Sv = Ssinβ (2. 17) Trong đó: n - Số bích neo làm việc lấy theo bảng 2.3; α và β - Góc nghiêng của dây neo đo bằng độ lấy theo bảng 2.4. Bảng 2_ 3 Số bích neo trước bến. Chiều dài max của tàu Lt max, m ≤ 50 150 250 ≥ 300 Khoảng cách max giữa các bích neo, m 20 25 30 30 Số bích neo làm việc 2 4 6 8 2-9
10. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. Bảng 2_ 4 Góc dây neo α, β Góc nghiêng của dây neo, độ Vị trí bích neo trên Loại tàu β công trình bến α Tàu có Tàu không hàng hàng Tàu biển Trên mép bến; 30 20 40 phía sau bến 40 10 20 Tàu sông chở khách hoặc Trên mép bến 45 0 0 chở khác và hàng hóa Tàu sông chở hàng Trên mép bến 30 0 0 Khi xây dựng bến dùng để tiếp nhận những tàu biển trọng tải lớn với lượng choán nước có hàng trên 5 vạn tấn cần bố trí ở hai đầu bến hai bích neo cho các dây neo dọc. Hai bích neo này đặt ngoài phạm vi chiều dài tàu Lt, cách hai mũi tàu không quá 0,2Lt theo hướng mép bến. Trong trường hợp này mỗi bích neo được tính toán chịu một lực bằng tổng thành phần dọc Ttot của tải trọng do gió và do dòng chảy (Ttot = Wn + Na). Xác định theo các biểu thức (2.9); (2.13). 1. Nhãm d©y neo däc 2. Nhãm d©y neo ngang 22 1 1 3. Nhãm d©y neo gi»ng 3 Hình 2_ 4 Phân bố các nhóm dây neo chuyên dụng. Đối với các bến chuyên dụng chỉ gồm một sàn công nghệ và các trụ neo riêng lẻ (hình 2.4) trước khi tính toán phải lập so đồ bố trí các trụ neo cho 3 nhóm dây neo, nhóm dây neo dọc ở hai mũi tàu nhóm dây neo ngang và nhóm dây neo giằng vào giữa. Với mỗi nhóm dây neo phải bố trí hai trụ neo, tính toán chịu tải ngang nhau. Mỗi trụ neo thuộc nhóm dây neo dọc hoặc nhóm dây neo ngang chịu một tải trọng neo bằng 0,4 ΣH, mỗi trụ neo thuộc nhóm dây neo giằng chịu một tải trọng neo bằng 0,3ΣH. Tùy theo số lượng dây neo trong mỗi nhóm và tải trọng tính toán của các bích neo mà bố trí từ một đến bốn bích neo trên mỗi trụ neo. Khi tàu cập ở cả hai phía công trình bến thì tăng số trụ neo và bích neo lên hai lần. Đối với bến tàu sông, tổng hợp lực Q của tải trọng neo được tiêu chuẩn hóa theo quy định trong bảng 2.5. 2-10
11. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. Bảng 2_ 5 Tải trọng neo tàu. Tổng hợp lực của tải trọng neo (Q), KN Lượng choán nước tính Tàu chở khách, tàu Tàu chở hàng và tàu toán của tàu khi có hàng chở cả khách và hàng, thuộc đội tàu KT có (D), t tàu thuộc đội tàu KT có kết cấu tầng trên hở kết cấu tầng trên kín ≤ 100 50 30 110-500 100 50 510-1000 145 100 1100-2000 195 125 2100-3000 245 145 3100-5000 - 195 5100-10000 - 245 >10000 - 295 2.4.3. Tải trọng tựa tàu: Là tải trọng phân bố đều theo chiều dài công trình bến trên toàn bộ đoạn tiếp xúc giữa mạn tàu và mặt trước bến. Đối với công trình có tuyến bến liên tục trong phạm vi phần thẳng của mạn tàu tải trọng tựa tàu xác định theo công thức. Q q = 1,1 tot (2. 18) ltx Trong đó: ltx - Chiều dài đoạn tiếp xúc giữa mạn tàu và mặt trước bến. Nếu gọi lm là chiều dài phần thẳng của mạn tàu (hoặc của dầm bao mạn tàu) và Lb là chiều dài bến thì trong công thức (2.18) phải lấy ltx = lmkhi Lb >lm và ltx = Lb khi Lb <lm. Đối với tuyến bến chỉ gồm các mố hoặc trụ tựa tàu riêng lẻ thì tải trọng tựa tàu chỉ phân bố lên những mố hoặc trụ nào nằm trong phạm vi phần thẳng của mạn tàu. 2.4.4- Tải trọng va khi tàu cập bến Là tải trọng tập trung tác động lên công trình bến. Là một trong những yếu tố quyết định các kích thước chủ yếu, giá thành và tuổi thọ của nhiều loại kết cấu công trình bến. Phần lớn các công thức tính toán tải trọng va đã dùng trong thực tế thiết kế các công trình bến cảng đều nhận được trên cơ sở phương trình cân bằng năng lượng. Ở thời điểm bắt đầu chạm vào công trình bến, tàu vẫn còn một vận tốc và một động năng ứng với giá trị vận tốc đó. Trong quá trình va một phần động năng của tàu biến thành công của lực va gây ra biến dạng công trình bến và các thiết bị đệm ở mặt trước bến. Phần động năng đó, tính bằng Tm, được xác định bàng biểu thức DV2 E = Ψ (2. 19) q 2 2-11
12. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. Trong đó: D - Lượng choán nước tính toán của tàu khi cập bến tính bằng T. V - Thành phần vuông góc với mặt trước bến của tốc độ cập tàu, tính bằng m/s, lấy theo bảng 2.6. Ψ - Hệ số, dùng để xét ảnh hưởng chung của tất cả các yếu tố tác động đều quá trình va. Lý thuyết và thực nghiệm đã chỉ ra rằng: Năng lượng va tàu ứng với một khối lượng lớn hơn nhiều so với khối lượng của tàu khi cập bến, đó là do khi tàu chuyển động trong môi trường nước luôn luôn có một bộ phận nước cùng chuyển động theo . Ở thời điểm va vào bến vận tốc V của chuyển động tịnh tiến của tàu bắt đầu giảm đi nhanh chóng và triệt tiêu hoàn toàn ở cuối quá trình biến dạng của công trình và thiết bị đệm. Trong khi đó lượng nước cuốn theo tàu vẫn tiếp tục chuyển động theo lực quán tính và tác động lên tàu, làm gia tăng năng lượng va. Mặt khác, không phải tất cả động năng của tàu và khối nước cuốn theo đều chuyển thành công của lực va tàu, gây ra biến dạng đàn hồi của công trình bến và thiết bị đệm trước bến. Một phần đáng kể của động năng tàu, kể cả khối nước cuốn theo, bị tiêu hao vào việc làm quay tàu và nghiêng ngang quanh điểm va; một phần khác chuyển thành thể năng biến dạng đàn hồi của vỏ tàu, hoặc biến thành nhiệt năng trên các mặt tiếp xúc giữa hai vật thể va. Tất cả những yếu tố làm tăng hoặc tiêu hao năng lượng va được xét đến bằng hệ số R trong biểu thức (2.19), các giá trị của Ψ lấy theo bảng 2.7. Bảng 2_ 6 Vận tốc tàu cập bến Thành phần vuông góc của tốc độ cập tàu V, m/s có lượng Loại choán nước tính toán D, t tàu 2000 5000 10000 20000 40000 100000 ≥200000 Sông 0,20 0,15 0,10 - - - - Biển 0,22 0,15 0,13 0,11 0,10 0,09 0,08 Bảng 2_ 7 Hệ số ψ Hệ số Ψ đối với Kết cấu công trình các tàu Sông Biển - Bến liền bờ bằng các khối xếp thông thường hoặc khối hình, khối 0,03 0,50 cực lớn, cọc ống đường kính lớn và bến dạng tường góc, bến tường cừ và bến trên nền cọc có tường cừ trước. - Bến liền bờ dạng bệ cọc hoặc dạng cầu; bến trên nền cọc có hàng 0,40 0,55 cừ sau -Bến nhỏ dạng bệ cọc hoặc dạng cầu, trụ cập tàu 0,45 0,65 -Trụ cập tầu đầu bến hoặc trụ quay tàu - 1,60 1) Xác định lực va động (Fq) theo Quy phạm 22 TCN 222-95 2-12
13. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. Quy phạm tính toán tải trọng và tác động trên công trình bến quy định tính toán tải trọng va tàu trên cơ sở dựng các biểu đồ Fq = ft,M và E = ft,M như trình bày trên hình 2.5. Nhánh phải của biểu đồ là đường biểu diễn quan hệ giữa thành phần vuông góc Fq của tải trọng va với tổng biến dạng của công trình bến và thiết bị đệm tàu. Đường biểu diễn này được dựng trên cơ sở cộng đồ thị của hai đường biểu diễn Fq = ft,M . Nhánh trái của biểu đồ là đường biểu diễn quan hệ giữa năng lượng do tàu truyền vào công trình bến và thiết bị đệm với tổng biến dạng của chúng. Hoành đồ Ei của mỗi điểm trên đường biểu diễn E = ft,M bằng diện tích ωi giới hạn bởi đường Fq = f (f t ) và trục tung trên đoạn ∆b tương ứng (hình 2.5). Mỗi giá trị E tính trước theo biểu thức (2.19) có thể xác định một trị số Fq tương ứng trên biểu đồ theo hướng các mũi tên trên đường dóng trên hình 2.5. Một số loại công trình bến có độ cứng lớn do đó khi chịu tải trọng va độ biến dạng của công trình không đáng kể so với biến dạng của thiết bị đệm tàu. Trong trường hợp này khi tính toán tải tọng va tàu có thể bỏ qua năng lượng biến dạng của công trình. Nhược điểm của việc xác định tải trọng va theo cách dựng biểu đồ hình 2.5 là ở chỗ thiết kế nhiều phương án kết cấu công trình bến, với nhiều phương án sử dụng các loại thiết bị đệm tàu khác nhau người thiết kế phải dựng hàng loạt biểu đồ cho từng tổ hợp công trình, thiết bị. Mặt khác do đặc điểm thực tế ở Việt Nam việc sử dụng loại thiết bị đệm tàu còn chưa có sự tiêu chuẩn hóa thống nhất. Việc thí nghiệm nén ép gặp nhiều khó khăn do đó thường thiếu số liệu cho việc tính toán thiết kế. 2) Xác định lực va tàu theo Quy phạm (CHIP 14460) Tải trọng Ny do tàu va vào bến xác định theo công thức. M Ny = R.Vt .sin α (2. 20) C1 + C2 Trong đó: R - hệ số xét đến tính chất chịu dộng năng của công trình bến phụ thuộc vào dạng kết cấu công trình bến lấy theo bảng 10; Vt - Tốc độ của tầu khi cập bến (m/s); X- Góc tàu cập bến. W M = : Trọng khối của tàu g W - Lượng thoát nước của tàu khi chở đầy hàng (T); g - Gia tốc trọng trường g = 9,81m/m2 C1 - Tổng hệ số biến dạng đàn hồi của công trình và của kết cấu bảo vệ công trình; C2 - Hệ số biến dạng đàn hồi của vỏ tàu. a) Xác định hệ số C1. Hệ số biến dạng đàn hồi C1 của công trình và kết cấu bảo vệ là trí ố biến dạng tính bằng m của các công trình ấy dưới tác dụng của lực bằng 1 đơn vị (tấn) theo công thức sau: 2-13
14. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. - Đối với tổ hợp cọc hay trụ đứng riêng rẽ: C1 = fn + f0/n (2. 21) Trong đó: fn - Trị số chuyển vị diểm tác dụng của tải trọng thẳng góc với mặt trước công trình dưới tác dụng của lực đơn vị (m/T); f0 - Trị số biến dạng của kết cấu bảo vệ do lựuc bằng đơn vị tác dụng vào thanh bảo vệ (thanh ngoài hoặc thanh đệm( (m/T); n - Số lượng thanh bảo vê đồng thời chịu lực tàu va vào. - Đối với bến dài liên tục: f f C = c + o (2. 22) 1 l r Trong đó: fc - Trị số chuyển vị điểm tác dụng của tải trọng hướng thẳng góc với mép bến dưới tác dụng của lực bằng 1 tàu trên một mét dài (m/T); l - Chiều dài của khu vực bến chịu lực tàu va vào (m). b) Xác định hệ số C2 Hệ số biến dạng đàn hồi của vỏ tàu C2 được tính như sau: - Đối với tàu biển 0,015 C = (2. 23) 2 35 + 0,90()L − 70 Đối với tàu biển có bộ phận chống va chạm của băng: 0,015 C = (2. 24) 2 35 +1,80()L − 70 Trong đó: L - Là chiều dài tàu Với L = 70m; C2 = 0,0004m/T. - Đối với tàu sông: C2 = 0 c) Kiểm tra trị số Ny: Các trị số về lực va tàu Ny tính được, không được lớn hơn áp lực cho phép Nd đối với vỏ tàu tính bằng T. Muốn vậy phải thỏa mãn các điều kiện sau: - Đối với tàu biển không có bộ phận bảo vệ chống băng trôi: Nd ≤ 50 +1,3()L − 70 (2. 25) - Đối với tàu biển có bộ phận bảo vệ chống băng trôi: Nd ≤ 50 + 2,7()L − 70 (2. 26) - Đối với tàu sông: 2-14
15. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. Nd ≤ L − 20 (2. 27) Trong trường hợp các điều kiện trên không thỏa mãn lớn hơn áp lực cho phép đối với vỏ tàu thì phải hạn chế tốc độ của tàu khi cập bến hoặc thay đổi kết cấu bảo vệ tìm loại có tính đàn hồi cao hơn. d) Xác định lực va tiếp tuyến với bến (Fn) Lực va hướng dọc theo bến tính bằng công thức: Ty = µ.Fq (2. 28) Trong đó: Fq - Lực va tàu vào bến; µ - Hệ số ma sát giữa tàu và kết cấu bảo vệ; Với kết cấu bảo vệ bằng gỗ fm = 0,4 Bằng cao su, hoặc bê tông fm = 0,5 ÷ 0,6 a) f t,M b) f t) = f( F q E = f ( t ) f ®) =f( F q ® f i,t,M f b) =f( ωi F q b E q (KJ) E qqiEF0 qiFF q q (KJ) Hình 2_ 5 Sơ đồ dạng đồ thị quan hệ giữa độ biến dạng của thiết bị đệm và công trình bến Fq với năng lượng va tàu Eq và lực va tàu Fq. 2.5.Tải trọng do thiết bị bốc xếp, phương tiện vận tải và hàng hóa gây ra trên bến. 2.5.1- Đối với cảng sông: Tải trọng khai thác trên bến được xác định tùy theo vào nhiệm vụ của Cảng và sơ đồ công nghệ bốc xếp hàng hóa chọn dùng. Tải trọng do cần trục và tàu hỏa gây ra tùy theo mục đích tính toán được tính đổi thành tải trọng phân bố dọc theo đường ray. Trong thực tế tính toán tải trọng khai thác trên bến được lấy như sau: 2-15
16. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. - Tải trọng vùng mép bến trong trường hợp trên bến có cả cần trục và tàu hỏa được lấy là tải trọng phân bố đều q = 4T/m2. Trường hợp trên bến chỉ có cần trục, hoặc tàu hỏa tải trọng phân bố đều được lấy là q = 2T/m2. - Tải trọng vùng xếp hàng lấy tối đa q = 6T/m2. a) CÇn trôc søc CÇn trôc søc n©ng 16T n©ng 16T γ = 2T/m3 20m 45° 2,25 10,50 2,0 40,00 2,0 10,50 b) CÇn trôc søc CÇn trôc søc n©ng 16T n©ng 16T q = 6T/m2 2,25 10,50 2,0 40,002,0 10,50 Hình 2_ 6 Sơ đồ tải trọng khai thác trên bến cảng sông. a_Đối với hàng rời đổ đống có dung trọng bé hơn 20KN/m3. b_Đối với mọi loại hàng hóa, trừ hàng rời đổ đống. 2.5.2. Đối với cảng biển. Theo công dụng của bến, tải trọng khai thác trên bến được tiêu chuẩn hóa thành các cấp được thể hiện trên bảng 2.8. Bảng 2_ 8 Cấp tải trọng tiêu chuẩn. Cấp tải trọng Công dụng của bến khai thác Tiêu chuẩn 1- Đối với hàng bốc dỡ và đồ đống được xử lý lại bằng hệ thống công nghệ chuyển tải đặc biệt - Khi xếp hàng ở vị trí ngoài khu vực tải trọng tác dụng trực tiếp 0-b lên công trình bến. - Khi xếp hàng ở vị trí tác dụng trực tiếp gần tường bến 0-C 2- Đối với hàng hóa xếp đống: sắt thép thiết bị và những hàng hóa khác khi khối lượng hàng tại vị trí là 10T và lớn hơn với sơ đồ cơ 2-16
17. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. giới hóa bằng cần trục. - Đối với bến độ sâu 11,50m và lớn hơn; 0 - Đối với bến còn lại. 0(I) 3- Đối với bến container lớn và loại tàu Ro-Ro 0-K 4- Đối với hàng gỗ I (0) 5- Đối với hàng hóa ghép theo từng chiếc I (II) 6- Đối với dầu mỡ, sản phẩm dầu mỡ, hóa chất, thực phẩm và hầu III hết các hàng lỏng 7- Đối với bến hành khách III(II) 8- Đối với bến hàng hạt III(II) 9- Những bến có công dụng phục vụ hỗ trợ III Ghi chú: Cấp tải trọng ghi trong ngoặc dùng khi thiết kế sơ bộ. Theo chiều rộng bến, tải trọng được phân thành bốn vùng với các giá trị tải trọng trên từng vùng lấy theo bảng 2.9. Bảng 2_ 9 Tải trọng hàng hóa trên bến. Cấp tải Sơ đồ tải trọng do các máy Tải trọng do hàng xếp đồng T/m2 trọng bốc xếp phương tiện vận tải khai Máy bốc Đoàn Vận tải Vùng Vùng Vùng Vùng thác xếp và tàu hỏa không sát mép trung hậu tiêu cần cẩu T/m đường mép bến chuyển phương chuẩn vùng gần sắt bến mép bến A B C D 0-C; 0 K-35 14 H-30 2 4 12 20 O-b K-35 14 H-30 0,75 1,5 2 2 O-K K - KB-70 2 4 6 10 (KB-35) I K-35 14 H-30 2 4 6 10 II K-25 14 H-30 1,5 3 4 6 III - - H-10 0,75 1,5 2 2 Phạm vi phân bố các vùng trên bến trình bày trên hình 2.7. Đối với những bến tính toán chịu tải trọng cấp III thì mỗi vùng có thể chất tải theo sơ đồ 2.7b hoặc chỉ có tải trọng ô tô H-10 trên toàn bộ chiều rộng bến, hoặc một tổ hợp bất kỳ gồm tải trọng ô tô và tải trọng do hàng hóa có thể có trong điều kiện khai thác thực tế trên bến. Đối với các bến tính toán chịu cấp tải trọng Tiêu chuẩn còn lại thì trên mỗi vùng (A, B, C, D) sẽ đặt một trong những tải trọng quy định trên các sơ đồ hình 2.7 a, b, c. - Vùng A: Vùng sát mép bến, chiều rộng vùng này xác định trên cơ sở đảm bảo an toàn cho cần trục di chuyển dọc bến. Theo quy hoạch cảng khoảng cách từ mép bến đến tim ray ngoài chân cần trục được lấy theo quy định 2,25-2,75m, mặt khác. Khi xếp hàng vùng A phải cách tim ray ngoài của cần trục 2 mét vì vậy trong thực tế hầu như không có vùng A. - Vùng B: là vùng bố trí thiết bị xếp dỡ, phương tiện vận chuyển, hàng hóa đôi khi cũng có thể xếp tạm ở vùng này với chiều cao không lớn lắm nhằm đảm bảo an toàn cho công trình. 2-17
18. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. - Vùng C: là vùng trung gian, chẳng hạn đối với bến hàng rời thì vùng này nằm dưới mái dốc của đống hàng do đó chiều rộng của vùng được xác định theo công thức: Bc = (hđ - ho) cotgαo (2. 29) Trong đó: hđ - Chiều cao đống hàng rời; ho - Chiều cao tường chắn bãi hàng rời (nếu có); αo - Góc nghỉ tự nhiên của hàng rời. Với những loại hàng có thể xếp thành đống thẳng đứng thì không có vùng này. - Vùng D: là vùng hậu phương, hàng hóa ở đây có thể xếp cao đến chiều cao xếp đống cho phép của mỗi loại hàng. Chiều rộng của vùng này chỉ bị hạn chế bởi bán kính hoạt động của các máy bốc xếp và gianh giới khu đất của cảng. a) CÇn trôc cæng q3 q2 q1 0,5q1 A B C D b) q3 q2 q1 0,5q1 AB C D c) CÇn trôc cæng §oµn tµu q3 q2 0,5q1 2 3,5 4,82,75 6 AB C D Hình 2_ 7 Sơ đồ tải trọng khai thác trên bến. Tải trọng Tiêu chuẩn nêu trên sử dụng trong tính toán thiết kế các công trình cảng khi dây chuyền công nghệ bốc xếp được sử dụng các sơ đồ cơ giới hóa xếp dỡ Tiêu chuẩn thông dụng hiện nay. Trong trường hợp thiết lập dây chuyền công nghệ bốc xếp 2-18
19. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. khác với quy trình công nghệ nêu trên thì cần phải căn cứ vào số thiết bị xếp dỡ, phương tiện vận tải thực tế và vị trí hoạt động của chúng để xác định đúng tải trọng khai thác trên bến. Ghi chú: Khi tính toán công trình bến liền bờ kiểu tường cọc, trọng lực thì tải trọng tập trung do chân trước cần trục gây ra được thay bằng tải trọng phân bố đều tương đương, còn áp lực chân phía bờ của cần trục lấy bằng tải trọng phân bố đều của hàng hóa xếp trên khu vực này. Tải trọng rải đều tương đương được xác định theo công thức: PH q = (2. 30) td bl Trong đó: PH- Tổng tải trọng lớn nhất do một nhóm lực tập trung khi sử dụng một cần trục đứng độc lập hoặc hai cần trục cạnh nhau, xác định theo sơ đồ bố trí công nghệ H các cần cẩu trên bến (PH = ΣPi ) áp lực do các lực này được truyền lên chiều dài dải phân bố (hình 13). b - Bề rộng bản, dầm dưới ray hoặc chiều dài tà vẹt; l - Chiều dài dải phân bố tải trọng dọc tuyến mép bến xác định theo hình 2-8. a) b) a H H H P P 12P q t® ° êng mÆt ϕ/2 β = (45 - ϕ/2 ) − ° ϕ ϕ ϕ ϕ b/2 b/2 b h = actg(45 - ) 0,5 0,5 0,5 0,5 h.tgϕ l l0l l 2 h.tgϕ l = l K1 MÆt ph¼ng tÝnh to¸n cña t l = l K2 Hình 2_ 8 Sơ đồ xác định tải trọng tương đương. a_Sơ đồ theo mặt cắt ngang; b_Sơ đồ theo mặt cắt dọc. - Với một chân riêng rẽ của cần trục (khi lo > 2htgϕ +1,0m): l = lk1 = 2htgϕ +l1 + 1,0m (2. 31) - Với hai chân của hai cần trục cạnh nhau (khi lo < 2htgϕ + 1,0m): l = lk2 = 2htgϕ + l1 + lo + l2 + 1,0m (2. 32) 2.6. Áp lực ngang của đất 2-19
20. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. Đối với các bến tường chắn (tường trọng lực, tường cừ, cầu tàu có tường cừ phía trước hoặc phía sau v.v ) áp lực ngang của đất chiếm phần chủ yếu trong tổng tải trọng tác động lên công trình. Tải trọng do hàng hóa, thiết bị bốc xếp và phương tiện vận tải đặt trên khu đất tiếp giáp với bến cùng truyền vào kết cấu công trình bến qua khối đất đắp làm gia tăng áp lực ngang của đất trị số áp lực đất có quan hệ hàm số với độ võng và di chuyển vị của kết cấu bến, do đó việc dựng biểu đồ áp lực đất lên một bài toán khá phức tạp ngay cả trong trường hợp đơn giản của nền đồng nhất. 2.6.1.Áp lực đất chủ động Thành phần nằm ngang của áp lực đất chủ động do trọng lượng bản thân của đất và tải trọng rải đều gây ra phải xác định theo lý thuyết cân bằn giới hạn của đất có xét đến đặc điểm trượt theo mặt cong của lăng thể phá hoại (theo phương pháp lý thuyết cân bằng giới hạn của sêcôlôp xki và Goluskevich). Quy luật biến thiên của áp lực đất chủ động trong phạm vi mỗi lớp đất đồng nhất là quy luật tuyến tính. Ngoài ra thành phần nằm ngang của áp lực chủ động cũng được phép xác định theo lý thuyết cổ điển (Culomb) đối với mặt trượt phẳng của lăng thể phá hoại. Trung độ của biểu đồ thành phần ngang của áp lực chủ động trong các phương pháp trên được xác định theo công thức: tc tc σax = (qi + Σγi hi )λa − Cλac (2. 33) Tung độ của biểu đồ thành phần đứng của áp lực đất chủ động được xác định theo công thức: σay = σax tg()α + δ (2. 34) Trong đó: tc tc qi - Hoạt tải trên bến, áp lực do hoạt tải qi được truyền theo mặt phẳng phá hoại đến điểm cần tính trung độ áp lực đất chủ động lên tường; tc Σγ hi - Áp lực thẳng đứng do trọng lượng bản thân của đất ở độ sâu cần xác định tung độ biểu đồ áp lực chủ động. tc γi - Dung trọng của đất ở trạng thái ẩm tự nhiên bị đẩy nổi hoặc bão hòa nước. hi- Chiều cao lớp đất thứ i có cùng các đặc trưng cơ lý; C- Lực dính của đất nằm ở độ sâu cần xác định tung độ biểu đồ áp lực đất chủ động (khi tính toán theo trạng thái giới hạn nhóm I thì C = CI; nhóm II thì C = CII); λa λac- Các hệ số thành phần nằm ngang của áp lực đất chủ động và do lực dính xác định theo sau: - Trong trường hợp tường bến có mặt sau thẳng đứng và mặt đất nằm ngang thì các hệ số thành phần nằm ngang của áp lực đất chủ động theo lý thuyết cần bằng giới hạn lấy theo bảng 2.10. 2-20
21. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. Bảng 2_ 10 Hệ số thành phần ngang của áp lực đất chủ động. Hệ số thành phần nằm ngang của áp lực đất chủ động theo Góc ma Xokolopxki và Goluskevich, khi góc ma sát δ bằng: sát trong 0 0,5ϕ ϕo λa λac λa λac (1) (2) (3) (4) (5) 10 0,70 1,68 0,66 1,57 11 0,68 1,65 0,64 1,53 12 0.66 1,62 0,61 1,50 13 0.63 1,59 0,59 1,46 14 0.61 1,56 0,56 1,43 15 0.59 1,53 0,54 1,40 16 0.57 1,50 0,52 1,37 17 0.55 1,47 0,50 1,34 18 0.53 1,45 0,48 1,31 19 0.51 1,42 0,46 1,28 20 0.49 1,40 0,44 1,25 21 0.47 1,37 0,42 1,22 22 0.45 1,34 0,41 1,20 23 0.44 1,32 0,40 1,18 24 0.42 1,29 0,38 1,15 25 0.41 1,27 0,36 1,12 26 0.39 1,25 0,35 1,10 27 0.38 1,22 0,33 1,07 28 0.36 1,20 0,32 1,25 29 0.34 1,18 0,30 1,02 30 0.33 1,16 0,29 1,00 31 0.32 - 0,28 - 32 0.31 - 0,27 - 33 0.33 - 0,26 - 34 0.28 - 0,25 - 35 0.27 - 0,24 - 36 0.26 - 0,23 - 37 0.25 - 0,22 - 38 0.24 - 0,21 - 39 0.23 - 0,20 - 40 0.22 - 0,19 - Ghi chú: - Có thể sử dụng bảng này khi tính toán theo lý thuyết cổ điển cho trường hợp mặt tường thẳng đứng và mặt đất nằm ngang; - Khi tính toán theo nhóm I các trạng thái giới hạn thì λa = λaI và λac = λacI, theo nhóm II thì λa = λaII, λac = λacII; 2-21
22. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. α- Góc nghiêng so với phương đứng của mặt phẳng tính toán tiếp nhận áp lực đất chủ động (khi tính toán theo nhóm I và trạng thái giới hạn thì α = αI theo nhóm II.α = αII ); δ- Góc ma sát của đất lên mặt phẳng tiếp nhận áp lực chủ động (khi tính toán theo nhóm I các trạng thái giới hạn thì δ = δI, theo nhóm II δ= δII). Ghi chú: - Nếu Cλac > σax thì trên đoạn này ta lấy σax = 0; - Nếu tường có mặt sau thẳng đứng thì cho phép xác định σax theo lý thuyết cổ điển, còn nếu tường có mặt sau nghiêng thì dùng lý thuyết cân bằng giới hạn; - Đối với đất dính khi mực nước giao động, thì tùy theo vị trí và độ ẩm mà lấy dung tc trọng γ của đất như hình sau (hình 2.9). γ 2 H 3 A γ γ n 1 Hình 2_ 9 Vị trí các khu vực đất theo độ ẩm. A - Biên độ trung bình của dao động triều γH - Ở trạng thái ẩm tự nhiên; γ - Ở trạng thái bão hòa nước; γn - Ở trạng thái đẩy nổi thủy tĩnh. 1) Cao trình đáy bến; 2) Cao độ trung bình của đỉnh triều; 3) Cao độ trung bình của chân triều. - Phía trên cao độ trung bình của đỉnh triều, lấy theo các số liệu khảo sát địa chất công trình; - Phía dưới cao độ trung bình của chân triều, ở trạng thái đẩy nổi thuỷ tĩnh. Lấy theo công thức. tc tc tc γ = γs − εo (γs −1)−1 (2. 35) 2-22
23. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. Trong đó: tc γ s - Khối lượng riêng của các hạt cứng của đất 3 εo- Thể tích các lỗ hổng trong 1 cm đất. Ghi chú: Khi có các số liệu đủ tin cậy có thể xét đến trạng thái đẩy nổi không hoàn toàn do đó với đất dính có độ ẩm hữu hạn, nếu trong lớp đất dính đó không có các lớp kẹp hoặc thấu kính thấm nước. - Trong phạm vi giữa mực nước cao và mực nước thấp khi mực nước dao động với biên độ trung bình, coi tất cả các lỗ hổng trong dất đều chứa đầy nước theo công thức: tc tc tc γ − γs = εo (γs −1) (2. 36) Khi tính toán theo lý thuyết cổ điển, hệ số thành phần ngang của áp lực đất chủ động. Xác định theo công thức: tgα + taβ λ = (2. 37) a tg()()α + δ + tg β + ϕ Trong đó: α, δ- Như đã dẫn ở trên β- Góc phá hoại (góc giữa đường thẳng đứng và mặt phá hoại). ϕ- Góc ma sát trong của đất Trong trường hợp riêng, khi không có tải trọng trên mặt bến, hoặc tải trọng này phân bố đều trên toàn bộ mặt bến, đối với mặt sau tính toán của tường bến giả định là nghiêng một góc α = β = 45o-4/2; và khi góc ma sát giữa đất và mặt sau bến là δ = ϕ, hoặc đối với trường hợp mặt sau của tường bến là thẳng đứng và không có ma sát, tức δ = 0 và α = 0 thì hệ số thành phần ngang của áp lực chủ động xác định theo công thức: 2 o λa = tg (45 -φ/2) (2. 38) Hệ số thành phần nằm ngang của lực kháng trượt do lực dính trong đất xác định theo công thức: λax = 2 λa (2. 39) Góc phá hoại β khi tính toán theo lý thuyết cổ điển được xác định bằng công thức (2. 40) tgβ = −V ± V(V + tgϕ − tgα)− Ctgϕtgα + Sβ Trong đó: V = tg()α + δ + ϕ , α, δ, ϕ - Như trên đã dẫn Sβ- Hệ số, xét đến vị trí của hoạt tải trên lăng thể phá hoại, xác định theo công thức: Z ∑ (q tc − q tc ) S = ai o i (2. 41) β tc tc tc tc H[]H.γ n + 2q o + 2 ∑()γ i − γ n 2-23
24. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. tc ai ; qi - Tương ứng là bề rộng của dải tải trọng i và cường độ tải trọng trên dải i H H đó trên các đoạn có q2 ≠ qo (Hình 2.10). a 1 a 2 a 3 a 4 a 5 tc q3 tc q tc q tc q1 5 0 tc q2 tc 4 q = 0 q = tc γ h 1 H tc γ n1 n h α β Hình 2_ 10 Sơ đồ hoặt tải trên bến khi xác định hệ số Sβ tc qo - Cường độ tải trọng ở giao điểm của mặt bãi với mặt phẳng phá hoại; H- Tổng chiều cao của lăng thể phá hoại; tc γi và hi - Dung trọng và chiều cao của lớp đất thứ i; tc - Dung trọng của lớp đất bên dưới trọng lăng thể phá hoại. γn Khi xác định, trong khối đất lấp, góc nghiêng α của mặt phẳng tiếp nhận áp lực chủ động (xem hình 2-10) và góc nghiêng β tương ứng với nó của mặt phá hoại phải xuất phát từ điều kiện áp lực chủ động của lăng thể phá hoại tác động lên tường có giá trị lớn nhất. Trong trường hợp (đã nêu ở trên) góc phá hoại xác định theo công thức: o β = 45 − ϕ 2 (2. 42) Khi có lăng thể đá giảm tải, biểu đồ áp lực chủ động cũng được dựng theo cách trình bày trên với giả thiết các lớp đất, đá kéo dài vô tận, sau đó cộng thêm vào một biểu đồ áp lực do tải trọng của đất nằm trên mái dốc khối đá để bên trong lăng thể trượt. Tung độ ∆σi của biểu đồ áp lực gia tăng này (hình 2.11) trong trường hợp tổng quát được xác định như sau: - Trong phạm vi lăng thể đá với chiều cao ∆H theo công thức: qtc + ∑ γtch ()λ − λ S ∆σ = ( i i i ) ar ak o (2. 43) i ∆H 2-24
25. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. - Phía dưới lăng thể đá với chiều cao ∆t theo công thức qtc + Σγ tch ()λ − γ S ∆σ = ( i i i ) ar ak o (2. 44) i ∆t Trong đó tc tc qi + Σγi ho - Áp lực do trọng lượng bản thân của đất và tải trọng khai thác ở cao độ của giao điểm giữa mái dốc lăng thể đá với mặt phá hoại, mặt phá hoại này được vẽ từ điểm cần xác định tung độ ∆σi ở mặt sau tường bến. λar - Hệ số thành phần ngang của áp lực chủ động của đất nằm trên mái dốc lăng thể đá. γak - Hệ số thành phần ngang của áp lực chủ động của đá đổ; So’ So- Hình chiếu lên phương đứng của các đoạn mái dốc đá, các đoạn này nằm giữa các mặt phẳng đá hoặc vẽ qua chân các đoạn ∆H và ∆T ở mặt phẳng tính toán của tường mặt (xem hình 2.11). q a h ϕ ;γ 11 β K σ1 H β H K m 0 β ϕ : 1 = tg(45°- 1 /2) 1 σ2 σ'2 ϕ ;γ 0 0 t β ϕ 00= tg(45°- /2) σ 3 Hình 2_ 11 Sơ đồ áp lực đất chủ động do tải trọng đất nằm trên mái dốc lăng thể đá. Các công thức tính toán tung độ của biểu đồ qtcγ tch (γ − γ )S' ∆σ = ( 1 ) ar ak o (2. 45) 1 ∆H qtcγ tch + γ tcS' ()γ − γ S' ∆σ = ( 1 2 o ) ar ak o (2. 46) 2 H qtcγ tch + γ tcS' ()γ − γ S ∆σ' = ( 1 2 o ) ar ak o (2. 47) 2 ∆t 2-25
26. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. qtcγ tch + γtc S' + S ()γ − γ S ∆σ' = ( 1 2 ( o o )) ar ak o (2. 48) 3 ∆t Các hình chiếu được xác định theo các công thức: ' HtgBk − a So = (2. 49) 1+ tgβk ' Hmo − a − So ()1+ mo + b So = (2. 50) 1+ mo Các ký hiệu khác xem trên hình vẽ 2.11. Ghi chú: Có thể xem áp lực trong lăng thể phá hoại của khối đá đổ được truyền lên o mặt phẳng tính toán dưới góc βk = 26 . 2.6.2. Áp lực đất bị động Áp lực bị động của đất được xác định theo lý thuyết cân bằng giới hạn có xét đến đặc điểm mặt trượt của lăng thể bị động là đường cong. Trong phạm vi mỗi lớp đất đồng nhất quy luật biến thiên của áp lực theo chiều sâu được coi là tuyến tính; Tung độ biểu đồ thành phần ngang của áp lựuc bị động lên tường thẳng đứng khi mặt đất nằm ngang được xác định theo công thức: - Với áp lực đất bị động thuận chiều: tc σq = λpΣγi hi + Cγpc (2. 51) - Với áp lực bị động nghịch: tc tc σp = (qi + Σγi hi )λp + Cλpc (2. 52) Trong đó tc tc Σγi hi ,c,qi - Như đã dẫn ở trên, nhưng chỉ đối với tung độ áp lực bị động; λp - Hệ số thành phần ngang của áp lực đất bị động của đất, lấy theo bảng 2.11, tùy theo góc ma sát trong ϕ của đất. ở tiết diện cần tính tung độ, biểu đồ áp lực bị động và góc ma sát ở giữa lăng thể bị động với trường: λpc - Hệ số áp lực bị động do lực dính, xác định theo bảng 2.11, hoặc theo công thức: 0,9λ −1 λ = p (2. 53) pc tgϕ Ghi chú: -Áp lực đất bị động của đất có thể xác định theo lý thuyết cổ điển với giả thiết mặt trượt phẳng trong lăng thể bị động. Trong trường hợp này tung độ biểu đồ áp lực bị động xác định theo các công thức trên, trong đó giá trị của λp lấy theo bảng 2.11 còn λpz theo công thức: λpc = 2 λp hoặc theo bảng 2.11. 2-26
27. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. -Đối với lớp đất trên mặt, nơi mà cấu trúc của đất dính có thể bị phá hoại thì lấy C = 0. Trị số đầy đủ của lực dính được lấy từ độ sâu 1,0m. Từ cao trình đáy đến độ sâu 1,0m, lực dính tăng từ 0 đến C theo quy luật tuyến tính. Bảng 2_ 11 Hệ số thành phần ngang áp lực bị động của đất. Hệ số thành phần ngang của áp lực bị động của đất theo Góc ma sát Xôcôlôva và Gô-luskevich khi góc masat δ bằng trong của 0 0,334 ϕ đất ϕo λp λpc λp λpc λp λpc (1) (2) (3) (4) (5) (6) (7) 5 1,14 1,28 1,20 1,56 1,23 2,01 6 1,21 1,34 1,28 1,67 1,31 2,15 7 1,26 1,39 1,34 1,77 1,39 2,25 8 1,31 1,45 1,40 1,87 1,47 2,40 9 1,37 1,51 1,45 1,95 1,55 2,55 10 1,42 1,58 1,51 2,04 1,63 2,65 11 1,47 1,65 1,57 2,14 1,71 2,80 12 1,53 1,72 1,64 2,23 1,80 2,94 13 1,58 1,79 1,72 2,32 1,90 3,09 14 1,63 1,87 1,79 2,42 2,01 3,24 15 1,69 1,94 1,86 2,52 2,12 3,39 16 1,76 2,01 1,96 2,62 2,27 3,58 17 1,82 2,08 2,04 2,73 2,42 3,77 18 1,89 2,15 2,14 2,84 2,56 3,95 19 1,96 2,23 2,25 2,95 2,71 4,14 20 2,04 2,86 2,40 3,10 2,93 3,42 21 2,12 2,91 2,52 3,17 3,13 3,54 22 2,20 2,97 2,65 3,26 3,36 3,66 23 2,28 3,02 2,78 3,33 3,59 3,79 24 2,37 3,08 2,93 3,42 3,86 3,93 25 2,46 3,14 3,09 3,52 4,16 4,08 26 2,56 3,20 3,26 3,61 4,49 4,24 27 2,66 3,26 3,44 3,71 4,82 4,39 28 2,77 3,33 3,64 3,82 5,19 4,56 29 2,88 3,39 3,85 3,92 5,59 4,73 30 3,00 3,46 4,08 4,04 6,00 4,90 31 3,12 - 4,33 - 6,43 32 3,25 - 4,60 - 6,93 33 3,39 - 4,89 - 7,47 34 3,54 - 5,21 - 8,00 35 3,69 - 5,56 - 8,60 36 3,85 - 5,94 - 9,22 37 4,02 - 6,37 - 9,90 38 4,20 - 6,83 - 20,57 39 4,39 - 7,35 - 11,30 40 4,60 - 7,92 - 12,18 2-27
28. Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến. Trường hợp mặt đất trước tường nghiêng một góc θo với đường nằm ngang (hình 2.12) thì xác định tung độ biểu đồ áp lực bị động của đất bằng lý thuyết cổ điển theo các công thức: tc σp = λpθΣγi hi + Cγcd (2. 54) Trong đó: 1 cos2 ϕ λpθ = 2 (2. 55) ()1− zp cosδ sin()()ϕ + δ sin ϕ − θ Z = (2. 56) p cosδ.cosθ λcθ = 2 λpθ (2. 57) Trong các công thức trên: tc Σγi hi ,C đã dẫn ở trên; δ - góc ma sát giữa đất với tường; ϕ- Góc ma sát trong của đất; MÐp bÕn Mùc n−íc θ 1 : m ; γ ; h 1 ϕ1 1 C1 A ϕ 2) β = ( 4 5 °+ 1 / B 1 2 ϕ2 ; γ22 ; C h ϕ ° + 2 /2) β = (45 3 2 ϕ3 ; γ3 C h β ϕ 3 = (45°+ 3 /2) D Hình 2_ 12 Sơ đồ tính toán áp lực bị động của đất khi đáy nghiêng ABCD Mặt lăng thể ép trồi theo lý thuyết cổ điển. 2-28