7.1 Nguyên tắc thiết kế
Các quy định trong chơng này cần đợc áp dụng để thiết kế tờng bến sử dụng kết cấu tờng cừ vây bằng thép.
[Chú giải]
Phơng pháp thiết kế đợc mô tả trong chơng này dựa trên kết quả thí nghiệm mô hình tờng cừ1)2) trên nền là cát với tỷ lệ chiều sâu chôn cừ từ 0 đến 1.5 và tỷ số giữa chiều rộng t“ ơng đơng của tờng/chiều cao tờng từ 1 đến 2.5. Đối với các tr” ơng hợp khi (1) tỷ lệ chiều sâu chôn cừ rất nhỏ (nhỏ hơn 1/8), (2) chiều rộng tơng đơng của tờng rất nhỏ so với chiều cao tờng, hay (3) tờng bến nằm trên nền đất là lớp sét hay nền đợc cải tạo bằng cọc cát đầm chặt, v...v., cần làm các kiểm tra khác bổ sung cho việc kiểm tra theo phơng pháp thiết kế đợc mô tả trong chơng này bởi vì những trờng hợp đó đòi hỏi những thông số mà không thể thể hiện một cách rõ ràng theo phơng pháp mô tả ở đây.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Thiết kế tờng cừ thép trụ vây nên đợc thực hiện theo trình tự đợc mô tả trong Hình T-7.1.1.
H×nh T - 1.1 Tr×nh
tù thiÕt kÕ bÕn t-
êng cõ trô v©y
(2) Kiến nghị
phÝa trong
lòng cừ vây đợc
đổ đầy bằng vật
liệu có mật độ
thích hợp nh cát
hay đá có chất
lợng tốt. Không
khuyến khích sử
dụng đất sét làm
vật liệu đổ. Khi
sử dụng đất sét
đổ trong lòng t-
êng cõ v©y, cÇn
có thí nghiệm
riêng vì sự biến
dạng của tờng cừ
sẽ tăng lên một
cách đáng kể.
(3) Khi mãng ®-
êng cÇn trôc,
nhà trên bến, hay
nhà kho đợc xây
dựng ở bên
trong lòng cừ
vây, cần phải sử
dụng hệ cọc để
truyền tải trọng
xuống tầng đất
chịu lực.
(4) Ví dụ của kết cấu
têng cõ v©y
bằng thép thể
hiện trong
Hình vẽ T -
7.1.2.
- VIII. 35 -
φ
Hình T –7.1.2 Ví dụ của kết cấu tờng cừ vây bằng thép 7.2 Các ngoại lực tác động lên kết cấu bến tờng cừ vây bằng thép Cần nghiên cứu các ngoại lực dới đây tác dụng lên kết cấu:
(1) Ngoại lực tác động lên bản thân tờng cừ vây:
(a) áp lực đất
áp lực đất phía sau tờng
áp lực đất phía trớc tờng
áp lực đất của đất đắp trong lòng (b) áp lực nớc d
(c) Lực động đất và áp lực thuỷ động tác động lên tờng (d) Trọng lợng của tờng
(e) Hoạt tải
(2) Ngoại lực tác động lên dầm mũ (a) Lùc ngang
thành phần ngang của áp lực đất
áp lực nớc d
lực động đất tác động lên dầm mũ, đất bên trên dầm mũ, hoạt tảI . (b) Lực đứng
Trọng lợng của dầm mũ và đất bên trên dầm mũ và hoạt tải.
Thành phần đứng của áp lực đất.
- VIII. 36 - -
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Tính toán các ngoại lực dựa trên Phần II, Chơng 12 Động đất và lực động đất, Phần II Chơng 14 áp lực đất và áp lực nớc, và Phần II Chơng 15 Các tải trọng.
(2) Phía sau tờng chịu tác động của áp lực đất chủ động bên trên đáy biển. Giả thiết rằng phần tờng bên dới đáy biển chịu (a) áp lực đất chủ động khi kiểm tra biến dạng cắt và (b) áp lực đất tạo bởi
áp lực của tải trọng nh trọng lợng của đất đắp sau tờng và hoạt tải khi kiểm tra ổn định tổng thể của kết cấu (xem Hình vẽ T - 7.2.1).
Theo các thí nghiệm mô hình, có thể thấy rằng phần tờng nằm dới đáy biển chịu tác động của tải trọng tơng ứng với áp lực đất ở trạng thái nghỉ, do sự biến dạng của phần chôn trong đất là nhỏ.
Theo kết quả của các thí nghiệm rung động, áp lực đất tác động lên các phần này làm việc nh là lực chống lại sự lật của tờng. Cho nên trong thiết kế tờng cừ vây áp lực đất mà đợc tạo bởi đất đắp sau tờng và hoạt tảI trong các điều kiện bình thờng nên đợc sử dụng nh áp lực đất này, nh đã đợc chỉ ra trong phơng trình (7.2.1) (xem Hình vẽ T - 7.2.2).
) (
5 .
0 h w
Pac = ∑ γi i + (7.2.1)
Trong đó:
Pac: áp lực đất tác dụng lên mặt sau của tờng nằm phía dới đáy biển (KN/m2).
gi : Trọng lợng đơn vị của từng lớp đất đắp (KN/m3).
hi : Chiều dày của từng lớp đất đắp (m).
w : Hoạt tải (KN/m2).
(3) Về nguyên tắc, cao độ mực nớc d trong đất đắp nên lấy ở cao trình có chiều cao tơng đơng với hai phần ba của biên độ thuỷ triều bên trên mực nớc thấp nhất trung bình theo tháng (LWL). Tuy nhiên, khi sử dụng đất đắp có tính thấm thấp, cao độ nớc d có thể tăng lên cao hơn giá trị đó và do đó cần phải xác định cao độ mực nớc d dựa vào kết quả nghiên cứu các công trình tơng tự.
Cao độ mực nớc d trong đất đắp sử dụng để đắp trong tờng cừ vây có thể có cao độ bằng cao độ của đất đắp sau tờng.
(4) Đối với đáy biển và phía trên, hệ số động đất đợc sử dụng trong tính toán lực động đất tác động lên vật liệu đắp là hệ số động đất thiết kế. Đối với phần phía dới đáy biển, giá trị này đợc giảm tuyến tính đến 0 ở độ sâu 10m dới đáy biển. Về nguyên tắc, hệ số động đất không cần xem xét
đối với phần nằm sâu hơn cao độ đó. (xem Hình vẽ T - 7.2.3).
Hình T-7.2.1 áp lực đất tác động lên phía sau thân tờng (để kiểm tra biến dạng cắt)
- VIII. 37 -
Hình T – 7.2.2 áp lực đất tác động lên phía sau thân tờng (để kiểm tra ổn định nh tờng trọng lực)
Hình T – 7.2.3 Hệ số động đất thiết kế đối với đất đắp 7.3 Kiểm tra bề rộng của tờng đối với biến dạng cắt
7.3.1 Khái quát
Kiểm tra cờng độ của thân tờng chống lại biến dạng cắt về cơ bản đợc tiến hành với các tải trọng tác động lên tờng trong các điều kiện bình thờng.
[Chú giải]
Ô vây và đất đắp của kết cấu tờng cừ vây thờng làm việc nh một kết cấu đồng nhất do đất đắp đợc chứa trong lòng cừ vây. Do đó, biến dạng của thân tờng vây có thể đợc bỏ qua trong quan hệ với chuyển vị của nó và ổn định tổng thể của thân tờng vây có thể đợc xem xét nh một khối cứng. Điều này đã đợc kiểm tra bằng các thí nghiệm mô hình trong đó thân tờng vây không thể hiện biến dạng lớn dới tác dụng của các tảI trọng lớn hơn nhiều các ngoại lực đợc dự kiến tác động lên thân tờng vây trong điều kiện bình thờng và cả khi chịu động đất. Tóm lại, có thể nói rằng sự phá hoại cắt không xảy ra trong đất đắp. Tuy nhiên, khi đờng kính của ô vây rất nhỏ hay cờng độ của đất đắp là vô cùng thấp,
điều đó dẫn đến không thể xem xét thân tờng cừ vây nh là một khối cứng. Do đó, cần phải tiến hành kiểm tra cờng độ của đất đắp chống lại biến dạng cắt do các tải trọng tác dụng trong các điều kiện thông thờng để giảm biến dạng của thân tờng cừ vây đến mức có thể bỏ qua.
7.3.2 Chiều rộng tờng tơng đơng
Trong thiết kế chiều rộng tờng, chiều rộng tơng đơng của tờng có thể đợc sử dụng.
Chiều rộng tơng đơng của tờng là chiều rộng của tờng hình chữ nhật giả định với diện tích mặt cắt ngang giống nh của tổ hợp các mặt cắt ô và cung cừ vây.
[Chú giải]
Chiều rộng tơng đơng của tờng là chiều rộng của tờng hình chữ nhật giả định đợc dùng thay cho thân tờng gồm tổ hợp các mặt cắt ô và cung cừ vây để làm đơn giản tính toán thiết kế. (xem Hình C - 7.3.1). Tờng giả định đợc định nghĩa theo cách mà diện tích của mặt cắt ngang của tờng giả định là giống với diện tích của các mặt cắt tổ hợp ô và cung cừ vây.
- VIII. 38 - -
Hình C – 7.3.1 Mặt bằng của kết cấu tờng cừ vây và chiều rộng tơng
đơng B
B=S/L
B: Bề rộng tơng đơng của tờng (m)
L: Chiều dài có hiệu 1 đoạn của tờng vây (m) S: Diện tích 1 đoạn của tờng cừ vây (m2 ) (a) Vây ô tròn
(a) Vây ô vách ngăn
(c) Vây ô hình lá cây
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
Chiều rộng tơng đơng của tờng đợc tính theo các phơng trình (7.3.1) và (7.3.2) với biến dạng của thân tờng đã thoả mãn:
MdF < Mr (7.3.1)
M’dF < M’r (7.3.2)
Trong đó:
Md : Mômen biến dạng lấy với chân tờng (KN-m/m) M’d : Mômen biến dạng lấy với đáy biển (KN-m/m) Mr : Mômen kháng lấy với chân tờng (KN-m/m)
M’r : Mômen kháng của vật liệu đắp lấy với đáy biển (KN-m/m) F : hệ số an toàn
Về nguyên tắc, hệ số an toàn chống biến dạng cắt nên lấy là 1.2 hay lớn hơn.
7.3.3 Tính toán mômen biến dạng
Mô men biến dạng là mô men lật ở đáy biển hay ở chân tờng do các ngoại lực nh các
áp lực đất chủ động, bị động phía trên đáy biển hay đáy tờng và áp lực nớc d.
[Chú giải ]
Trong tính toán mô men biến dạng, áp lực đất chỉ xem xét đến các thành phần ngang. Thành phần
đứng không đợc xem xét tới. Lực đứng của hoạt tải là không đợc xem xét trong tính toán mô men biến dạng. Tuy nhiên, hoạt tải vẫn đợc xem xét trong tính toán áp lực đất chủ động. (xem Hình C - 7.3.2).
Hình C-7.3.2 Các tải trọng và lực kháng đợc xem xét trong kiểm tra biến dạng cắt.
7.3.4 Tính toán mô men kháng
Mô men kháng của tờng cần đợc tính toán thích hợp khi xem xét các đặc trng kết cấu tờng cừ vây và biến dạng của tờng.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Kết quả của các thí nghiệm mô hình chỉ ra rằng mô men kháng lấy với đáy tờng có thể tăng do việc tăng tỷ lệ chiều dài chôn D/H (xem Hình vẽ T - 7.3.1). Vấn đề này có thể đợc tính toán bằng công thức (7.3.3)
- VIII. 39 -
Hình T-7.31 Quan hệ giữa mô men kháng và tỷ số chiều dài ngàm.
Mr = (1+ D/H) (M ro+Mrs) (7.3.3)
Trong đó:
Mr : Mô men kháng lấy với chân tờng (KN - m/m).
Mro : Mô men kháng của đất đắp lấy với chân tờng (KN - m/m).
Mrs : Mô men kháng do lực ma sát của các điểm nối cừ lấy với chân tờng (KN - m/m).
D : Chiều dài chôn (m)
H : Chiều cao từ chân tờng đến đỉnh tờng (m) (xem Hình vẽ T - 7.3.2).
: Gia số với tỷ lệ chiều dài chôn D/H.
Với gia số , kiến nghị sử dụng bằng 1.0, nó gần với giá trị thấp nhất tìm đ ợc trong các kết quả thực nghiệm chỉ ra trong Hình T - 7.3.1, vì phơng trình đã cho ở trên tìm đợc dựa trên các thực nghiệm và hoàn toàn không mang tính lý thuyết.
(a) Phơng trình tính toán mô men kháng của đất đắp.
Trong việc xác định mô men kháng của đất đắp lấy với chân tờng, giả định rằng mặt phẳng trợt chủ
động hình thành từ đáy của mặt trớc của tờng và mặt phẳng trợt bị động hình thành từ đáy của mặt sau của tờng và các áp lực đất chủ động và bị động tác động lên các mặt phẳng trợt tơng ứng, nh trong Hình vẽ T - 7.3.2. Các góc phá hoại chủ động và bị động cũng nh các áp lực chủ động và bị động đợc tính toán theo các công thức của Rankine:
2 4 ζa π φ
+
= : mặt phá hoại chủ động
2 φ 4
ζp = π − : mặt phá hoại bị động Pa = Ka.γ.h;
φ sin 1
sinφ - Ka 1
= + : áp lực đất chủ động (7-3.4)
Pp = Kp.γ.h;
φ sin 1
sinφ K 1
−
= +
p : áp lực đất chủ động Trong đó
: Góc nội ma sát của đất đắp (o).
Mô men tạo bởi áp lực đất tác động lên mặt phẳng cắt có thể đợc tính toán theo công thức (7.3.5) và tham khảo Hình vẽ (T - 7.3.2).
Mro=∫0d( Pp − Pa)( d − x ). 3 2 tan θ dx (7.3.5)
- VIII. 40 - -
Hình T-7.3.2 Mặt phẳng cắt giả định của đất đắp
Khi đất nền có các hằng số địa chất và khác với đất đắp, công thức (7.3.5) trở nên phức tạp vì góc phá hoại và cao độ áp lực đất thay đổi từ lớp này sang lớp kia. Tuy nhiên, khi không có sự khác biệt lớn về góc nội ma sát giữa đất nền và đất đắp, hay khi tỷ lệ chiều dài chôn là lớn và các mặt phẳng trợt không vơn tới đất đắp, thì công thức trên đợc có thể sửa đổi nh sau:
Mro= 0. R0.. H30 6
1 γ
(7.3.6) Ro= .v (3 - v cos φ )tan φ .sin φ
3 2
0 2 0
Trong đó:
: Trọng lợng đơn vị tơng đơng của đất đắp (trọng lợng đơn vị của đất đắp mà giả định rằng trọng lợng đơn vị là đồng nhất trong toàn bộ đất đắp; thông thờng sử dụng = 10KN/m3.
V0 = B/Ho
B : Chiều rộng tơng đơng của tờng (m).
Ho : Chiều cao tơng tơng đơng đợc đo từ chân tờng.
Chiều cao tờng tơng đơng đợc dùng để tính toán mô men kháng do đất đắp bằng việc sử dụng trọng lợng đơn vị tơng đơng của đất đắp.Nó đợc tính bằng trung bình phơng trình (7.3.7).
Ho= 1 . .
. 0
i i h
γ ∑ γ (7.3.7)
Trong đó
: Trọng lợng đơn vị của lớp đất đắp thứ i (KN/m3).
hi : Chiều dày của lớp đất thứ i (từ đáy tờng đến đỉnh tờng)(m).
(b) Phơng trình tính toán mô men kháng do lực ma sát của các điểm nối cừ.
Mô men kháng do lực ma sát của các điểm nối cừ đợc tính toán nh sau:
. 6 .
1 3
.
0 s s
rs R H
M = γ (7.3.8)
. 2 tan
3 ν f φ
Rs = s (7.3.9)
Trong đó
: Trọng lợng đơn vị tơng đơng của đất đắp (kN/m3).
: Góc nội ma sát của đất đắp (o).
vs = B/Hs
B : Chiều rộng tơng đơng (m).
f : Hệ số ma sát giữa các điểm nối cừ; thờng lấy là 0.3 Hs : Chiều cao tờng tơng đơng đợc tính từ đáy tờng.
Chiều cao tờng tơng đơng Hs dùng để tính toán mô men kháng do lực ma sát giữa các điểm nối cừ khi dùng trọng lợng đơn vị tơng đơng của đất đắp. Sử dụng công thức (7.3.10) để xác định với
- VIII. 41 -
hợp lực của áp lực đất phân bố, bỏ qua hoạt tải, giữa đáy tờng và đỉnh tờng (xem Hình T- 7.3.3 (a) trở nên bằng với sự phân bố của áp lực đất tơng đơng (xem Hình T- 7.3.3 (b)). Trong tính toán này, 1/2 tan đ ợc sử dụng nh là hệ số của áp lực đất đắp. Chú ý rằng nó khác với hệ số áp lực
đất đợc sử dụng trong tình toán lực căng vòng.
φ γ tan 2
0
= ∑ i
s
H P (7.3.10)
Trong đó: Pi : Tổng hợp áp lực đất của lớp đất đắp thứ i (kN/m).
Hình T-7.3.3 Chiều cao tờng tơng đơng
(2) Trong tính toán mô men kháng của đất đắp lấy với đáy biển, có thể sử dụng các công thức (7.3.11) và (7.3.12) nh sau:
M’r= 0. '0.. '30 6
1 γ R H (7.3.11)
' sin ) ' cos ' 3 ( '
'0 = ν 20 − ν 0 φ φ
R (7.3.12)
Trong đó v’o = B/H’o
M’r : Mô men kháng của ô cừ vây lấy với cao độ đáy biển (kNm/m) f ’ : Góc nội ma sát của đất đắp nằm phía trên đáy biển (o) H’o : Chiều cao tờng tơng đơng tính từ đáy biển(m).
Chiều cao tờng tơng đơng H’o đợc dùng để tính toán mô men kháng do đất đắp bằng việc sử dụng trọng lợng đơn vị tơng đơng của đất đắp. Đợc xác định bằng giá trị trung bình theo công thức (7.3.13).
i ih H ' = ∑ '
0
0 γ
γ (7.3.13)
Trong đó
γ ': Trọng lợng dơn vị của lớp đất đắp thứ i bên trên đáy biển (kN/m3) h’i : Chiều dày của lớp thứ i (m)
Khi tăng cờng độ của đất đắp làm tăng độ cứng của tờng cừ vây. Do đó, công tác cải tạo của đất
đắp có hiệu quả trong việc tăng ổn định của tờng cừ vây.
7.4 Kiểm tra ổn định tổng thể của thân tờng 7.4.1 KháI quát
Trong kiểm tra ổn định tổng thể của thân tờng, tờng cần đợc xem nh là tờng trọng lực
đặt trên nền đất.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
- VIII. 42 - -
γ1
γ2
γ3
1
2
3
(1) Trong việc kiểm tra ổn định tổng thể của tờng, phản lực của đất nền sinh ra chống lại tải trọng và chuyển vị của tờng đợc tính toán bằng cách xem tờng nh là một khối cứng đặt trên đất nền bằng các gối đàn hồi.
(2) Trong phạm vi đàn hồi của đất nền, phản lực của đất nền đợc tính bằng tích số của mô đun phản lực nền và chuyển vị. ở đây việc xem xét ổn định của tờng nh là tờng trọng lực đợc chấp nhận khi phản lực của đất nền và chuyển vị của tờng không vợt quá gới hạn cho phép tơng ứng.
7.4.2 Mô đun phản lực nền
Theo lý thuyết, mô đun phản lực nền sử dụng trong kiểm tra ổn định của tờng nh là t- ờng trọng lực đợc xác định dựa trên kết quả nghiên cứu tại hiện trờng.
[Chú giải]
Mô đun phản lực nền bao gồm mô đun phản lực nền theo phơng ngang, mô đun phản lực nền theo ph-
ơng đứng, và mô đun cắt theo phơng ngang ở chân tờng.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
Mô đun phản lực nền có thể đợc tính toán nh dới đây, dựa trên các kết quả nghiên cứu tại hiện trờng.
(1) Mô đun phản lực nền theo phơng ngang
Mô đun phản lực nền theo phơng ngang có thể đợc tính toán theo biểu đồ3) của Yokoyama trình bày trong Phần V.4.3.4 Đánh giá khả năng của cọc sử dụng phơng pháp giải tích [Chỉ dẫn kỹ thuËt] (3) nh díi ®©y.
KH = 2N (7.4.1)
Trong đó
KH : Hệ số mô đun phản lực nền theo phơng ngang (N/cm3) N : Giá trị N
Khi đất nền bao gồm các địa tầng có các đặc trng khác nhau, mô đun phản lực nền theo phơng ngang phải đợc tính cho từng địa tầng.
(2) Mô đun phản lực nền theo phơng đứng
Đối với mô đun phản lực nền theo phơng đứng ở đáy tờng, nên sử dụng giá trị nh của mô đun phản lực theo phơng ngang ở đáy tờng. Khi đất nền bao gồm các địa tầng có các đặc trng khác nhau, mô đun phản lực nền theo phơng đứng tơng ứng với địa tầng ở đáy tờng. Tuy nhiên, khi có lớp đất cực kỳ dẻo dới đáy tờng, cần phải nghiên cứu cẩn thận ảnh hởng của nó.
(3) Mô đun cắt theo phơng ngang
Mô đun cắt theo phơng ngang ở chân tờng có thể đợc tính toán nh giá trị trung bình theo công thức (7.4.2) khi sử dụng mô đun phản lực nền theo phơng đứng.
Ks = K v (7.4.2)
Trong đó:
Ks : Mô đun cắt theo phơng ngang (N/cm3)
l : Tỷ số giữa mô đun cắt theo phơng ngang và mô đun phản lực nền theo phơng đứng.
KV: Mô đun phản lực nền theo phơng đứng (N/m3).
Các nghiên cứu trớc đây kiến nghị sử dụng giá trị nằm trong khoảng từ 1/2 đến 1/5 4)5). Tuy nhiên trong trờng hợp cừ vây cọc thép, giá trị có thể lấy khoảng 1/3.
7.4.3 Tính toán phản lực nền và chuyển vị của tờng
Phản lực nền và chuyển vị của tờng cần đợc tính toán dựa trên giả định rằng tờng khi chịu tải đợc chống đỡ bởi các phản lực nền và lực ma sát theo phơng đứng dọc theo bề mặt tờng.
[Chú giải]
Phản lực nền tác động lên phần tờng cừ vây chôn trong đất và chuyển vị của tờng nên đợc tính toán dựa trên giả định rằng tờng chịu tác động của ngoại lực đợc chống đỡ bởi các các phản lực nền ngang, phản lực nền đứng và phản lực cắt theo phơng ngang ở đáy tờng và lực ma sát đứng dọc theo mặt trớc và sau tờng.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Phản lực đất nền
(a) Phản lực đất nền theo phơng ngang
- VIII. 43 -