Chương 3 Công trình bến bệ cọc cao - Giáo trình công trình bến cảng

Phân loại theo độ cứng của bệ Dựa vào tỷ số giữa chiều rộng bệ B và chiều cao tính đổi htđ người ta chia công trình bến bệ cọc cao ra làm ba loại... - Theo chiều dọc bến của công trình b

ở mũi cọc Bệ cọc có nhiệm vụ chịu toàn bộ tải trọng phía trên và truyền tải trọng đó cho nền cọc, nền cọc tiếp nhận tải trọng do bệ cọc truyền xuống gồm tải trọng khai thác phía trên và trọng lượng bản thân bệ, rồi truyền tải trọng này cho nền đất

3.1.2.1 Phân loại theo độ cứng của bệ

Dựa vào tỷ số giữa chiều rộng bệ (B) và chiều cao tính đổi (htđ) người ta chia công trình bến bệ cọc cao ra làm ba loại

3.1.2.2 Phân loại theo vị trí của công trình so với bờ

- Công trình bến liền bờ: có thể nối trực tiếp với bờ, hoặc nối với bờ thông qua công trình sau bến;

- Công trình bến bệ cọc cao song song với bờ, nôi với bờ bằng cầu dẫn;

3.1.2.4 Phân loại theo vật liệu

Công trình bến bệ cọc bằng gỗ, bê tông cốt thép, hỗn hợp BTCT và thép

3.2.Cấu tạo công trình bến bệ cọc cao.

3.2.1 Cấu tạo của bệ cọc

3.2.1.1 Bệ cọc cứng

Trước đây thường sử dụng, hiện nay ít dùng vì bề rộng của bệ thường rất hẹp, phần lớn bệ đặt sâu trong đất nên loại bệ này thường chỉ xây dựng đối với bến yêu cầu độ sâu trước bến không lớn lắm

Để có thể tăng độ sâu trước bến, ngươi ta sử dụng tường cừ phía trước, hoặc tường

cừ sau;

1 8

9 7

4

5

2 6

3

3 ÷ 4m MNTTK

2 ÷ 3m

(0,5 ÷ 1,0) m

3:1 ÷ 10:1

1:1,5

÷ 1:1,75

Hình 3_ 3Cấu tạo công trình bến bệ cọc cao

1-Bệ cọc; 2-Nền cọc; 3-Đá đổ gầm bến; 4-Công trình sau bến; 5-Tầng lọc ngược 6-Chân khay; 7-Kết cấu đỡ tàu; 8-Bích neo tàu; 9-Kết cấu đệm tàu

T−êng cõ

sau

Hình 3_ 4 Bệ cọc cứng với tường cừ trước và sau

- Khi trên bến có cần trục cổng thì chân trước bao giờ cũng nằm trong phạm vi bệ Chân sau thường nằm ngoài bệ Trong trường hợp đó cần đóng thêm một hàng cọc dưới đường cần trục kết hợp với dầm dọc để đỡ đường ray

Nếu không đóng hàng cọc này thì cần chú ý xử lý hiện tượng lún không đều giữa chân trước và chân sau

Hình 3_ 5 Bệ cọc cứng có cần trục

- Theo chiều dọc bến của công trình bến bệ cọc cao nói chung được chia thành các phân đoạn đều nhau, giữa các phân đoạn có khe phòng lún, co dãn nhiệt độ bề rộng từ (1-3)cm Chiều dài các phân đoạn phụ thuộc vào điều kiện địa chất, địa hình, điều kiện thi công quyết định Tuy nhiên thường được chọn trong phạm vi từ 25 ÷ 50m

- Kết cấu của bệ thường là bản không dầm

2) Bản có dầm ngang (hoặc dầm dọc):

Chiều cao bản hb = (25÷50)cm chiều cao dầm do tính toán để định ra, sơ bộ chọn (0,5÷1,0)m, bề rộng của dầm ngang (hoặc dầm dọc) chú ý phải đủ rộng để bố trí liên kết với các cọc, nhất là cọc xiên chụm đôi

3) Bản có dầm ngang và dầm dọc

Chiều cao của bản hb =(18÷25)cm, chiều cao dầm theo tính toán sơ bộ có thể chọn (40÷75)cm Bề rộng của dầm ngang (hoặc dọc) chú ý phải đủ rộng để thỏa mãn liên kết giữa cọc với dầm

Các cấu kiện: bản, dầm ngang, dầm dọc có thể là bê tông cốt thép thường hoặc bê tông cốt thép ứng suất trước Đối với một số bến nhỏ mang tính chất tạm thời bệ cọc có thể sử dụng kết cấu kiểu hỗn hợp: dầm thép 0 bản gỗ; dầm thép bản bê tông cốt thép, dầm bê tông cốt thép bản gỗ;

Mác bê tông làm bệ ≥ 200#, độ chôn sâu của cọc trong bệ (đài) không nhỏ hơn 1,5D với D là đường kính hay là cạnh của cọc (chọn 1,5 ÷ 3D là vừa) ⇒ cốt thép chủ của cọc phải được chôn sâu vào bệ ≥ 20d (với cốt thép gai) và ≥ 40d (đối với cốt thép tròn), để thỏa mãn điều kiện liên kết ngàm Độ chôn sâu của cọc lúc này có thể chỉ cần lấy bằng 05cm, đài cọc 10 ÷ 15cm

3.2.2.Cấu tạo của nền cọc

3.2.2.1 Các loại cọc dùng trong bến bệ cọc cao

1) Cọc gỗ:

Có nhược điểm dễ bị môi trường xâm thực, khả năng chịu lực kém (P >30 ÷ 40T)

Hiện nay chỉ sử dụng cho công trình bến tạm, bến nhỏ và ở địa phương có nhiều gỗ

- Đối với cọc bê tông cốt thép dạng trụ ống đường kính ≥ 1,40m thì P = 700 ÷ 800T;

- Kích thước cọc bê tông cốt thép tiết diện vuông có thể chọn: 25 × 25cm; 30 × 30cm; 35 × 35cm; 40 × 40cm; 45 × 45cm;

- Cọc bê tông cốt thép dạng trụ ống có đường kính (1,0÷ 2,0)m; bề dày thành ống (8 ÷ 20)cm

độ sâu lớn Cọc được cấu tạo từ các ống thép, cọc ván thép, thép hình

- Cọc ống thép: được cấu tạo từ các ống thép có đường kinh (0,25 ÷ 2,0)m bề dày thành ống (10 ÷ 16)mm và lớn hơn Trong nhiều trường hợp bề dày thành ống được cấu tạo thay đổi theo chiều cao để phù hợp với điều kiện chịu lực của cọc nhằm tiết kiệm thép (vật liệu)

- Có cọc ở đầu cọc người ta chế tạo cánh xoắn cánh có thể 1 ÷ 1,5 vòng, đường kính cánh (2÷4) đường kính của cọc, vì thế khả năng chịu lực thẳng đứng của cọc tăng lên rất nhiều

- Cọc được tạo từ thép hình: được tạo từ các cọc ván thép larsen IV, V, bằng cách hàn suốt chiều dài thân cọc Phía trong thường được đổ đầy bê tông có lõi cốt thép

3.2.2.2 Nguyên tắc bố trí nền cọc

Vì nền cọc chịu tất cả các tải trọng khai thác trên bến rồi truyền tải trọng vào nền đất, cho nên phải bố trí cọc sao cho hợp lý Việc bố trí cọc trong nền cọc rất linh hoạt tuy nhiên cần tuân theo quy tắc chung là làm sao cho các cọc trong nền cọc chịu lực gần như nhau, chiều dài các cọc không chênh lệch nhau quá lớn các cọc không quá dài, đồng thời phải bố trí sao cho công trình chịu được tất cả các tải tọng thẳng đứng cũng như tải trọng ngang, cũng như bố trí sao cho có thể thi công được;

Nếu trên bến không có cần trục cổng thì bố trí nền cọc không có gì đặc biệt, tuy nhiên thường thì bố trí cọc theo hàng ngang và hàng dọc (hình vuông, hình chữ nhật ); Nếu trên bến có cần trục cổng: Do lực tác dạng dưới chân cần trục bao giờ cũng lớn hơn ở những vị trí khác vì vậy cần có biện pháp làm tăng khả năng chịu lực của hàng cọc dưới đường cần trục;

§−êng cÇn trôc §−êng cÇn trôc

Độ xiên của cọc P thuộc vào tình hình chịu lực của cọc và điều kiện, khả năng thi công Cọc càng xiên thì chịu lực ngang càng tốt nhưng thi công lại khó khăn hơn độ xiên thường lấy 3: 1 ÷ 10 :1

+ Đối với nước ngoài: 3:1 ÷ 5:1;

+ Việt Nam hiện nay: 5:1 ÷ 10:1

Khi bố trí cọc xiên phải chú ý sao cho có thể thi công thuận tiện, các cọc xiên không đâm vào các cọc khác trong nền cọc đồng thời bảo đảm sơ đồ làm việc của cọc phù hợp với sơ đồ tính toán (nếu chọn là bài toán phẳng);

Sơ đồ bố trí cọc xiên theo mặt bằng có thể như sau:

Hình 3_ 10 Bố trí cọc xiên đối xứng qua trục công trình.

3.2.2.3 Cách xác định khoảng cách giữa các cọc trong bệ cọc cao

Việc xác định khoảng cách giữa các cọc trong bệ cọc cao có ý nghĩa kinh tế to lớn trong thiết kế nếu khoảng cách giữa các cọc lớn thì kích thước của dầm và bản sẽ tăng lên

và ngược lại Trong thiết kế phải tính toán sao cho tổng giá thành của bệ là A và tổng giá thành của nền cọc là B phải là nhỏ nhất, tức là A + B → min Trong thực tế để làm được điều này phải tốn nhiều công sức cho nên trong thiết kế người ta thường tiến hành sao cho A ≈ B;

Theo phương ngang bệ: thì số lượng hàng cọc ngang tùy thuộc vào chiều rộng bệ, tải trọng khai thác do thiết bị bốc xếp, phương tiện vận tải chuyển hàng hóa, tùy thuộc vào loại tàu và điều kiện địa chất nơi xây dựng Thông thường theo phương ngang người

ta bố trí ít nhất là 3 ÷4 hàng cọc Ví dụ cọc vuông khoảng cách không lớn hơn 3,0 ÷ 3,5m;

Theo phương dọc bến: Khoảng cách giữa các cọc tùy thuộc vào khả năng chịu tải của cọc, tùy thuộc chiều dài một phân đoạn bến và chiều dài của bến Tùy thuộc vào điều kiện địa chất nơi xây dựng và có liên quan đến khoảng cách và số lượng hàng cọc dọc bến

Nhưng theo kinh nghiệm thì khoảng cách giữa các cọc theo phương dọc: ld≥(5 ÷ 6)D Trong đó D là đường kính hay cạnh cọc, ở nước ta thường lấy ld = (2 ÷ 4) m (đối với cọc tiết diện vuông);

Khi bố trí cọc theo phương dọc bến, cần căn cứ vào chiều dài một phân đoạn bến (chiều dài một phân đoạn bến l = 25 ÷ 50m)

Các cọc phải bố trí sao cho có thể thi công được đồng thời bảo đảm điều kiện chịu lực của cọc trong nền đất Cho nên khoảng cách giữa hai tim cọc theo phương ngang tại đáy bệ: lt ≥ 1,5D

Để đảm bảo điều kiện cọc ngàm trong bệ thì khoảng cách từ mép ngoài cùng đến mép bệ: đổ tại chỗ lb ≥ 10cm; lắp ghép lb ≥ 20cm; hb ≥ (1,5 ÷ 3)D; Chiều dày bệ phụ thuộc sai số khi đóng cọc (D là đường kính hoặc kích thước cạnh cọc)

m

Hình 3_ 11 Một số yêu cầu bố trí cọc bến bệ cọc cao

3.2.3.Công trình sau bến bệ cọc cao

3.2.3.1 Nhiệm vụ của công trình sau bến:

- Có tác dụng ngăn không cho áp lực đất tác động trực tiếp vào bệ cọc;

- Nối công trình bến và khu đất của cảng, làm giảm chiều rộng của bệ

Chiều rộng của bệ phụ thuộc vào sơ đồ cơ giới hóa xếp dỡ và phương tiện vận chuyển ở trên bến Phụ thuộc vào địa hình phía sau công trình và chiều cao công trình bến Trường hợp bến có cần trục cổng thì bao giờ chân của cần trục cũng nằm trọn ở trên

bệ Để bệ cọc nối liền với bờ có thể kéo dài chiều rộng bệ ra, song người ta không làm như vậy mà xây dựng công trình sau bến Khi sử dụng công trình sau bến cần phải chú ý việc lún không đều giữa công trình bến bệ cọc và công trình sau bến

3.2.3.2 Kết cấu công trình sau bến

Công trình sau bến thường có kết cấu kiểu khối xếp hoặc là tường gọc BTCT

Chiều cao của công trình sau bến không lớn hơn 3m và khoảng cách từ mép trước công trình sau bến đến bờ vai khối đá - điểm bắt đầu nghiêng của khối đá đổ lòng bến ≥ 1,0m

> 1,0m

Hình 3_ 12 Cấu tạo công trình sau bến

E c c

Mái dốc thường lấy từ 1/1,5 ÷ 1/2 nó được xác định theo góc nội ma sát của đá ϕđ

có xét tới ảnh hưởng của sóng gió dòng chảy

Độ lớn của mỗi viên đá phụ thuộc vào vận tốc dòng chảy và áp lực sóng Nhưng thường trọng lượng của một viên đá G ≥ 15kg Mái dốc có thể nhô ra ngoài tuyến mép bến bến một khoảng 0,5 ÷ 1,0 mét đối với tàu nhọn đáy, tùy thuộc vào loại tàu đến cảng Đối với tàu đáy bằng thì phải chú ý chọn cho đúng để tránh đáy tàu va quệt vào mái dốc đá;

Chân khay có tác dụng làm tăng độ ổn định của cả khối đá vì vậy phải có chiều dày thích hợp ≥ 1,0 mét, bề rộng 2 ÷ 3 mét, mái dốc chân khay lấy từ 1: 2 ÷ 1:5

>1m

m =2 ÷5 1:2 ÷ 1:5

3.3 Nguyên tắc tính toán công trình bến bệ cọc cao

Muốn tính toán công trình bến bệ cọc cao ta phải giải bài toán không gian vì bệ cọc cao là một kết cấu không gian Tuy nhiên việc giải bài toán không gian để xác định nội lực, chuyển vị và biến dạng của công trình là rất phức tạp và công phu vì vậy người ta tìm cách đưa bài toán không gian về các bài toán phẳng bằng cách chia bệ thành các khung ngang, khung dọc

3.3.1.Nguyên tắc phân chia khung ngang khung dọc của bệ

Người ta chia các phân đoạn bệ thành các khung ngang và khung dọc sau đó sẽ tính toán trên các khung ngang và dọc này Đây là các khung phẳng giả định, mặt phẳng tính toán của khung đi qua trục cọc và dầm việc tính toán như vậy sẽ có sai số so với bài toán không gian nhưng theo kinh nghiệm thì với hai sơ đồ bài toán phẳng vuông góc thì sai số này không đáng kể

1 2 3 4 a

Chiều rộng khung dọc được xác định theo nguyên tắc lực trên toàn nhịp phân đều

cho 2 gối; nên chiều rộng khung dọc phụ thuộc chiều rộng toàn bệ và khoảng cách giữa

các hàng cọc ngang nên có thể khác nhau Chiều dài khung dọc bằng chiều dài một phân

đoạn bệ

3) Về tính toán

Do tính chất chịu lực khác nhau của các khung dọc và do có cấu tạo khác nhau vì

vậy khi tính toán người ta phải tính tất cả các khung

Đối với khung ngang do có cấu tạo giống nhau, tải trọng thẳng đứng như nhau vì

vậy khi tính thường chỉ tính khung ngang chịu tải trọng ngang lớn nhất

3.3.2.Các sơ đồ tải trọng tính toán

3.3.2.1 Đối với khung ngang:

Để tính toán xác định nội lực và chuyển vị của khung cần xác định đúng các sơ đồ

tải trọng, khung ngang có các tải trọng như sau:

Hình 3_ 17 Sơ đồ tải trọng của khung ngang

a) Trọng lượng bản thân công trình:

Tính toán bình thường vì đó là tải trọng thường xuyên, trong trường hợp không có

sự chênh lệch tải trọng ở các đoạn mỗi khung ngang thì không phải phân chia thành các

sơ đồ tải trọng như trên

b) Tải trọng do hàng hóa:

Cần xác định diện tích khung ngang có chứa hàng hóa để tính toán Tải trọng do

hàng hóa tác dụng lên khung ngang sẽ bằng:

bt2q

btqSơ đồ 1: Trọng l−ợng bản thân công trình

Sơ đồ 2: Tải trọng hàng hoá

hhq

P

Pct

ctP

2

Sơ đồ 4: Tải trọng tầu hoả

thP

1

thP

thP

thP

Sơ đồ 5: Tải trọng tầuvt

c) Tải trọng do cần trục và tàu hỏa:

Để xỏc định nội lực trong kết cấu khung phải dựa trờn đường ảnh hưởng thực của khung dọc để tớnh Trờn mỗi nhịp khung dọc cú thể lấy 5 ữ 7 tiết diện để vẽ đường ảnh hưởng

Trong thiết kế sơ bộ cú thể dựng đường ảnh hưởng tam giỏc

d) Lực va tĩnh:

Pvt = q.a(T) (3 2)

q lấy tại mục 2.4.2

e) Lực va động:

Hv tác dụng lên một khung ngang được lấy từ phân phối lực ngang cho các khung

do lực va động của tầu tác dụng lên toàn phân đoạn bến

f) Lực neo tầu:

Hn được xác định từ việc phân phối lực ngang do lực neo tầu tác dụng lên một phân

đoạn bến

cụ thể mà chia thành các sơ đồ nhỏ cho thích hợp

3.3.2.2 Đối với khung dọc:

Các sơ đồ tải cũng tương tự như đối với khung ngang tức là cũng có các sơ đồ tải

trọng do qbt; qhh qct; qth; Hv, Hn Trong đó Hv, Hn xác định qua phân phối lực ngang

Chú ý:

(1) Để tiện trong tính toán người ta thường tính với các tải trọng đặc trưng như sau:

T10P

;T100P

,m/T10q

;m

®trängi

¶T

thùcträngi

¶T

=

Vì vậy: (Nội lực do tải trọng thực)=Kth.(Nội lực do tải trọng đặc trưng)

(2) Trong tính toán phải chia ra nhiều sơ đồ tải trọng rồi sau đó người ta tổ hợp tất

cả các tải trọng có thể tác dụng cùng một lúc gây nên trạng thái ứng suất biến dạng bất lợi

nhất cho công trình hay từng bộ phận kết cấu của công trình hoặc tổng tiết diện của kết

cấu đó từ đó vẽ biểu đồ bao nội lực

3.4.Phân phối lực ngang trong một phân đoạn bệ cọc.

Nhận xét: Dưới tác dụng của các lực ngang lực neo tàu, áp lực đất, lực va động của

tàu thì bệ cọc không những chuyển vị tịnh tiến mà con quay quanh một tâm 0 nào đó

Tâm 0 này được gọi là tâm đàn hồi

Đặc điểm của tâm đàn hồi là: Một lực bất kỳ đi qua nó chỉ gây chuyển vị tịnh tiến

mà không gây chuyển vị quay cho bệ

Khi bệ chuyển vị tịnh tiến và quay thì ở các đầu cọc phát sinh các phản lực ngang

Hi, nhưng do bệ quay nên các cọc, khung không chịu lực đều nhau và có sự phân bố lại

lực ngang cho toàn bệ Nhiệm vụ đặt ra là ta phải đi xác định các lực ngang này Rõ ràng

là trong cùng điều kiện như nhau những cọc và khung nào càng xa tâm đàn hồi thì chịu

lực càng lớn Điều đó cho phép chúng ta khi tính toán chỉ cần tính cho khung ngang

ngoài cùng

3

H

δR

H2

H1

Hình 3_ 19 Sơ đồ bệ xoay dưới tác dụng của tải trọng động.

Để xác định lực ngang tác dụng lên khung ngang, khung dọc ta tiến hành theo các

bước sau:

3.4.1.Xác định vị trí tâm đàn hồi

Giả sử có một phân đoạn bệ cọc cao chịu tác dụng của lực ngang: Lực neo tàu và áp

lực đất

Qua tâm hàng cọc biên ngang và dọc ta dựng hệ trục XO1Y Trục X hướng theo

trục hàng cọc ngang, Y hướng theo hàng trục dọc Vị trí các đầu cọc được xác định bằng

hệ trục tọa độ (Xi, Yi) thì tạo độ tâm đàn hồi được xác định theo công thức:

nS

qS X

Y1

O

iy

cE

Fms

Sq

nS

Hình 3_ 20 Sơ đồ xác định tâm đàn hồi

;H

XH

H

Y.H

Trong đó:

-H Là phản lực ngang tại đầu cọc thứ i do chuyển vị ngang bằng 1 đơn vị tại đó ix

gây ra theo phương x;

-Hiy- Là phản lực ngang tại đầu cọc thứ i do chuyển vị bằng 1 đơn vị tại đó gây ra

theo phương y;

- n : Tổng số cọc trong một phân đoạn bến;

- Xi; Yi: Là tọa độ đầu cọc thứ i trong hệ trục tọa độ XO1Y

3.4.1.1 Trường hợp cọc đơn

iH

= 1®vδ

Phản lực của các cọc đơn do chuyển vị ngang bằng một đơn vị theo các trục x và y

trong trường hợp cọc được coi là ngàm trong bệ và trong đất được xác định theo công

thức:

2 iu iy ix

l

J.12H

lio: Là chiều dài tự do của cọc thứ i

a: Chiều sâu ngàm giả định tùy thuộc vào địa chất, tải trọng ngang tác dụng lên

Phản lực của các trụ cọc chụm đôi do chuyển vị bằng một đơn vị theo phương

ngang khi trụ cọc nằm trong mặt phẳng tác dụng của lực được xác định theo công thức

- Theo phương x

( )

1

2 2 2

2 1

2 1 2 ix

cosKcos

K

sinH

α+

α

α+α

2

2 2 1

2 1

2 1

2 2 1 ix

coskcos

k

sinkkH

α+

α

αα

n

2 n 1

l

EFk

;l

lk

i i

oi

i = + hoặc

i i

in iFE

l

loi - Là chiều cao tự do của cọc (m);

Ei: - Mô đuyn đàn hồi vật liệu làm cọc;

Fi: - Diện tích tiết diện ngang của cọc;

C = q.Noi

lin - Là chiều dài tính toán cọc chịu nén;

Noi: - Khả năng chịu tải cọc thứ i (T);

u

u y

l

EJ12

Nếu hai cọc như nhau:

3 iu iy

l

EJ.12.2

3.4.2 Xác định góc quay của bệ

Lập hệ trục tọa độ mới đi qua tâm đàn hồi xoy

- Dưới tác dụng của lực Sq; Ec bệ chuyển vị tịnh tiến theo phương x;

- Dưới tác dụng của các lực Sn, Fms bệ chuyển vị tịnh tiến theo phương: y;

- Dưới tác dụng của cặp ngẫu lực Sn và Fms bệ quay quanh tâm đàn hồi 0 một góc ϕ

(chú ý hai lực Nn tạo mô men ngược chiều nên triệt tiêu nhau) Góc xoay ϕ của bệ

được xác định trên cơ sở cân bằng mô men nội lực (do các phản lực đầu cọc gây ra)

và mô men ngoại lực lấy với tâm đàn hồi 0