52
53
3.3. Cỏc phương ỏn kết cấu khung võy
Do cụng trỡnh cú ngưỡng thấp (-8.5m) , bệ trụ nằm sõu, thi cụng từng trụ trong khung võy kớn cú chờnh lệch cột nước trong và ngoài lờn tới 15m và dũng triều cú vận tốc 2m/s nờn vấn đặt ra là chọn sơ đồ bố trớ khung võy như thế nào để đảm bảo mọi điều kiện ổn định? Hiện nay cú 3 kiểu thiết kế sơ đồ cừ võy khung chống :
+ Kiểu thứ nhất là sơ đồ truyền thống, cừ Larsen và khung chống : Cừ larsen cú
độ chịu uốn nhỏ làm nhiệm vụ kớn nước cũn khung chống bờn trong chịu ỏp lực nước
đối xứng và ổn định tổng thể của khung võy được giải quyết bằng hệ cọc định vị phớa ngoài khung võỵ Hầu hết cỏc trụ cầu lớn của nước ta và trờn thế giới đều thiết kế
theo kiểu truyền thống nàỵ
+ Kiểu thứ hai cũng là sơ đồ cừ võy khung chống nhưng sử dụng cừ võy cú độ
chịu uốn lớn như cừống thộp đường kớnh lớn, cừ chữ T...cắm sõu vào nền để vừa kớn nước vừa gúp phần chịu lực, bờn trong vẫn dựng khung chống nhưng giảm nhỏ so với kiểu thứ nhất. Kiểu này được ứng dụng lần đầu ở cầu Thanh Trỡ.
+ Kiểu thứ ba là sử dụng khung võy bằng cọc ống thộp đường kớnh 1-1,2m vừa làm nhiệm vụ kớn nước vừa làm cọc múng chịu lực, phớa trong khung võy cũng đúng cọc ống thộp thành tường kớn để thay cho khung chống và là cọc chịu lực. Loại này
được gọi là múng (SPSP). Đõy là kiểu khung võy mới của Nhật Bản, lần đầu tiờn ỏp dụng ở Việt Nam ở cầu dõy văng Nhật Tõn do nhà thầu Nhật bản thiết kế và thi cụng.
Kết cấu khung võy và múng của cống Mương Chuối đang được thiết kế theo kiểu thứ 3 : Múng cọc ống thộp dạng giếng SPSP
54
3.4. Kết cấu khung võy cải tiến
Chọn Khung võy trụđỡ T2 là trụ nằm ở vị trớ sõu nhất -17.5m để nghiờn cứu: Dựa vào cỏc ưu điểm của khung võy truyền thống và khung võy theo kết cấu múng cọc dạng giếng, chỳng tụi đề xuất khung võy cải tiến theo dạng như sau:
- Kết cấu khung võy bao gồm hàng cừ larsen V (dày 24mm) dài L=36m, cừ ngập sõu trong đất 16,5m; cọc định vị là cọc ống thộp D=1.0m dày 22mm, dài L=50m kết hợp làm cọc chịu lực sau nàỵ 5 tầng khung chống dạng giàn thộp hỡnh 2I500. Giữa cỏc tầng khung chống cú bố trớ cỏc thanh C200 chống đứng.
- Bảo vệ chống va tàu là cỏc cọc thộp 2I500 xung quanh khung võỵ Thả cỏc thảm đỏ xung quanh chõn khung võy chống xúị
- Hỳt đất trong khung võy sau đú đổ lớp cỏt lấp.
- Lắp cỏc neo giữ cừ larsen V với BT bịt đỏy bằng bu lụng đặt ren sẵn.
- Căng dõy cỏp 12,7mm giữa cỏc hàng cừ với nhau để chống bục cừ khi đổ BT bịt
đỏỵ
Vật liệu làm khung võy cú những đặc trưng sau đõy:
Bảng 3-5. Đặc trưng kỹ thuật của cọc cừ vỏn thộp Larsen SP V
Mặt cắt ngang Dicệắn tớch mt ngang ặt 1m chiKhối lềượu dài ng Mụ men quỏn tớnh Modul tiết diện B H t cọc tường cọc tường cọc tường cọc tường mm mm mm cm2 cm2/m kg/m kg/m2 cm4 cm4/m cm3 cm3/m 500 200 24,3 133,8 267,6 105 210 7960 63000 520 3150 Bảng 3-6. Cường độ chịu lực cho phộp của cọc cừ vỏn thộp [σ]kộo, nộn [σ]uốn [τ]cắt TT Loại (T/cm2) (T/cm2) (T/cm2) 1 Thộp cừ vỏn Larsen 3,90 1,70 2 Thộp CT3- Thộp I 2,20 1,30
55
Hỡnh 3-5.Mặt bằng khung võy cải tiến Hỡnh 3-6.Cắt ngang khung võy cải tiến
3.5. Tớnh toỏn kiểm tra ổn định kết cấu khung võy cải tiến
3.5.1. Tớnh toỏn chiều dày bờ tụng bịt đỏy
Để diện tớch bờn trong khung võy luụn khụ rỏo cho quỏ trỡnh thi cụng kết cấu cụng trỡnh, cần đảm bảo khả năng nền khụng bị đẩy trồi, nước khụng thấm vào hố
múng thỡ cần đổ bờ tụng bịt đỏy để giữ nền trong khung võy, ngăn xuất hiện dũng thấm từ ngoài khung võy vào trong khung võỵ
Kớch thước và chiều dày bờ tụng bịt đỏy phụ thuộc vào kớch thước của khung võy thi cụng và địa chất nền, trong đú kớch thước của khung võy dựa trờn:
+ Mặt bằng được xỏc định chủ yếu từ kớch thước thiết kết của bệ múng, đồng thời xột đến điều kiện thi cụng (lắp dựng vỏn khuụn, cốt thộp, bệ…).
56
+ Mặt đứng được xỏc định dựa vào mực nước thi cụng và chiều cao bệ múng. Cao độđỉnh vũng võy phải cao hơn mực nước thi cụng tối thiểụ
Bờ tụng bịt đỏy trong khung võy được kiểm tra để đảm bảo an toàn chống đẩy nổi từ ỏp lực nước chờnh lệch trong ngoài và an toàn về cường độ của bờ tụng. Ổn
định của bờ tụng bịt đỏy dựa vào lực dớnh bỏm ma sỏt giữa bờ tụng với hệ thống cọc nền và với tường cừ khung võỵ
Phõn đoạn thi cụng trụ sõu (trụ giữa) để tớnh toỏn chiều dày bờ tụng bịt đỏy và
ổn định khung võy vỡ đõy là phõn đoạn phức tạp và cú diện tớch lớn nhất.
Cỏc thụng số tớnh toỏn :
+ Cao trỡnh mực nước ngoài khung võy : Zngoài = 1,50 (m); + Cao trỡnh nạo vột đỏy trung bỡnh bệ trụ trong khung võy:Ztrong = -18,0 (m); + Chiều rộng khung võy B = 14,00 (m); + Chiều dài khung võy L = 52,00 (m); + Chiều dài cọc vỏn thộp: Lcọcvỏnthộp=34,0 (m); + Chiều sõu ngập đất của cọc vỏn thộp: hcọc vỏn =14,00 (m); + Đường kớnh cọc ống thộp: Dống= 1,00(m); + Số lượng cọc ống thộp : ncọcốngthộp=79 cọc; + Ma sỏt dớnh bỏm giữa bờ tụng bịt đỏy và cọc ống thộp: f1 = 5,00 (T/m2) + Ma sỏt dớnh bỏm giữa chõn cọc vỏn thộp và đất: f2 = 0,50 (T/m2) + Ma sỏt dớnh bỏm giữa cọc vỏn thộp và bờ tụng bịt đỏy: f3 = 5,00 (T/m2) (Cỏc hệ số ma sỏt f1,f2,f3 tham khảo giỏo trỡnh: Tớnh toỏn thiết kế cỏc cụng trỡnh
phụ tạm để thi cụng cầu của Phạm Huy Chớnh-NXB xõy dựng năm 2004) + Hệ sốđiều kiện làm việc của khung võy: k = 0,95 + Hệ số an toàn của bờ tụng: k' = 1,25 + Hệ số vượt tải của bờ tụng bịt đỏy: m = 0,90 + Hệ số giảm cột nước ỏp lực dưới đỏy bờ tụng bịt đỏy: β = 1,00 + Chờnh lệch cột nước trong và ngoài khung võy: H = 19,50 (m) + Diện tớch chịu lực đẩy nổi-trừ diện tớch phần cọc ống thộp: F = 722,66 (m2) + Chu vi khung võy C: Ckhungvõy=132,0 (m)
57
+ Tổng chu vi của cọc trong khung võy: Ccọc= 248,06 (m) + Trọng lượng thể tớch bờ tụng bịt đỏy : γbt = 2,4 (T/m3) + Trọng lượng thể tớch của nước: γn = 1,0 (T/m3)
Xột tổng thể bài toỏn với toàn bộ diện tớch bờ tụng bịt đỏy trong khung võy, sự ổn định của bờ tụng bịt đỏy do cỏc yếu tố như trọng lượng khung võy, lực ma sỏt giữa bờ tụng bịt đỏy và cọc ống thộp, lực ma sỏt giữa cọc vỏn thộp với đất, với bờ tụng.
Điều kiện đảm bảo bờ tụng bịt đỏy khụng bị đẩy trồi là:
+ Lực đẩy nổi dưới đỏy bờ tụng bịt đỏy < Lực ma sỏt giữa bờ tụng bịt đỏy với cọc múng hay bờ tụng bịt đỏy với cọc vỏn thộp;
+ Ứng suất trong bờ tụng σmax < Ứng suất cho phộp bờ tụng bịt đỏy [σkộo]bờtụng/kn Cỏc lực tỏc dụng vào khung võy:
+ Lực đẩy nổi:
Pđn = (H' + hb).F.γn (3-1)
Trong đú:
H’ – chiều sõu cột nước tớnh từđỉnh lớp bờ tụng bịt đỏy đến mực nước thi cụng, F – diện tớch chịu tỏc dụng của lực đẩy nổi, m2.
+ Lực cản đẩy nổi bao gồm:
- Trọng lượng bản thõn của cỏc bộ phận khung võy (P0): cọc vỏn thộp, vành đai, khung chống, bờ tụng bịt đỏy (P04)…
- Lực ma sỏt giữa cọc chớnh của cụng trỡnh với bờ tụng bịt đỏy (P1):
P1 = f1.Ccọc.α.hb (3-2)
Trong đú:
Ccọc – chu vi của toàn bộ cọc cú trong khung võy, m.
- Lực ma sỏt giữa chõn cọc vỏn thộp với đất nền: cọc vỏn thộp, cọc ống thộp
P2 = f2.(2Ckv).hđất (3-3)
Trong đú:
Ckv – chu vi của khung võy, m.
58
- Lực ma sỏt giữa chõn cọc vỏn thộp với bờ tụng bịt đỏy:
P3 = f3.Ckv.hb (3-4)
Để kiểm tra ổn định đẩy trồi của bờ tụng bịt đỏy cần so sỏnh lực P3 với lực P0 xem khung võy cú ổn định hay khụng. Nếu lực P3 lớn hơn tổng trọng lượng của cả
khung võy thỡ giỏ trị Pgiữ = P0 + P1 + P2, cũn nếu P3 nhỏ hơn thỡ Pgiữ = P04 + P1 + P3.
Điều kiện an toàn của khung võy:
kPg ≥ Pđn (3-5)
Trong đú: k – hệ sốđiều kiện làm việc, lấy bằng k =0,95. *) Tớnh toỏn: Giả sử chiều dày bờ tụng bịt đỏy hbd =6,00m + Lực đẩy nổi trong vũng võy tớnh đến đỉnh bờ tụng bịt đỏy: Pđn = γn.H’.F = 1*19,50*722,66 = 14091,92 (T)
+ Trọng lượng bản thõn của vũng võy: Po = 11451,02 (T) trong đú: - Cọc vỏn thộp+ống thộp: P01= 853,84 (T); - Vành đai: P02= 69,61 (T); - Khung chống + t.bị phụ: P03= 121,22 (T); - Bờ tụng bịt đỏy: P04= 10406,34(T); + Lực ma sỏt giữa bờ tụng bịt đỏy và cọc ống thộp: P1 = f1.Ccọc.hb = 5,0*248,06*6,00 = 7670,83 (T) + Lực ma sỏt giữa chõn cọc vỏn thộp với đất: P2 = f2.Ckv.hđất = 1320,00(T) + Lực ma sỏt giữa chõn cọc vỏn thộp, ống thộp với bờ tụng: P3 = f3.(Ckv).hb = 5,00.132,00.6,00 = 3960,00(T) Nhận thấy rằng ma sỏt giữa cừ vỏn thộp với bờ tụng bịt đỏy nhỏ hơn tổng tải trọng của khung võy (bao gồm khung võy và bờ tụng bịt đỏy) nờn tổng lực để giữổn
định cho bờ tụng bịt đỏy bao gồm trọng lượng bờ tụng bịt đỏy, lực ma sỏt giữa bờ tụng bịt đỏy với cọc ống thộp và lực ma sỏt giữ bờ tụng bịt đỏy với cọc vỏn thộp.
Pgiữ = 19946,71 (T); (Pđn + γn.F.hb) = 18427,90 (T) Kiểm tra lại chiều dày bờ tụng bịt đỏy theo điều kiện an toàn:
59 1 3 500 . .( ) [ . . . ( )] n b b b coc kv I F h H h k m F f C f C C γ γ + ≥ + + + Ta cú: kPgiữ = k(mP04 + P1 + P3) ≥ (Pđn + γn.F.hb) với m hệ số vượt tải của bờ tụng bịt đỏỵ
Như vậy ứng với chiều dày bờ tụng bịt đỏy hb = 6,00m thỏa món điều kiện an toàn chống đẩy bục.
3.5.2. Tớnh toỏn kiểm tra kết cấu khung võy [11]
3.5.2.1.Điều kiện ổn định của khung võy
+ Kiểm tra theo trạng thỏi giới hạn 1:
Ổn định của khung võy dựa trờn cỏc điều kiện ổn định sau:
• Chiều dài thanh cừ đủ lớn để khụng phỏt sinh cung trượt qua đầu mũi cừ, hoặc đất nền khụng bị phỏ hoại do hiện tượng đẩy trồi ;
• Mụ men trong thanh cừ: Mcừ ≤ [Mmax];
• Ổn định khung chống: Ndọc ≤ [Nthộp] = ϕ[σ]F; • Gradient nền thỏa món Jnền≤ [J].
+ Kiểm tra theo trạng thỏi giới hạn 2: đảm bảo điều kiện chuyển vị của khung võy • Chuyển vị của đầu cọc cừ vỏn thộp δcừ ≤ [Δ] Trong đú: m: hệ sốđiều kiện làm việc m = 0,90; [σ]: ứng suất cho phộp của thộp; [Δ]: chuyển vị cho phộp của cọc [Δ] = 100 Lcọc /(300ữ600) (cm); F: diện tớch mặt cắt ngang của thanh thộp cần kiểm tra lực dọc; ϕ: hệ sốổn định uốn dọc;
Tải trọng tỏc dụng vào khung võy chủ yếu là cỏc lực ngang. Tớnh toỏn khung võy thường xột trường hợp bất lợi nhất : Khung võy đó hạ đến cao độ thiết kế, đổ
xong bờ tụng bịt đỏy và tiến hành hỳt nước trong khung võy ra để thi cụng.
3.5.2.2.Tớnh toỏn cỏc lực tỏc dụng vào khung võy
60
+ Áp lực thủy tĩnh: phõn bố theo hỡnh tam giỏc từ trờn xuống dưới :
ptĩnh = γH (3-6)
+ Áp lực thủy động :
Áp lực thủy động của nước được xỏc định với giả thiết ở chỗ nước chảy lực xung kớch của nước bằng 2 lần lực xung kớch của nước chảy bỡnh quõn, cũn ở đỏy sụng, lực xung kớch của nước chảy bằng 0.
Lực xung kớch của nước chảy bỡnh quõn xỏc định theo cụng thức :
(3-7)
Trong đú :
K1: Hệ số xột hỡnh dạng cọc cừ khung võy, K1 = 1,40 cho cọc Larssen; K2: Hệ số xột đến hỡnh dạng khung võy; K2 = 1,0 chữ nhật; K2=0,73 elớp m: Khối lượng riờng của nước, m = 1,0;
v: Vận tốc nước, (m/s); g: Gia tốc trọng trường, g = 9,81 (m/s2). + Áp lực đất chủđộng và bịđộng Biểu đồ ỏp lực ngang (ỏp lực chủ động và ỏp lực bị động) của đất nền cú dạng tam giỏc (hỡnh 3-8). Áp lực chủđộng của đất xỏc định: (3-8) Trong đú: nc – hệ số ỏp lực chủđộng của đất, lấy bằng 1,2; γđn – dung trọng đẩy nổi của đất;
hđc - chiều cao cột đất gõy ỏp lực chủđộng, m;
φ – gúc nội ma sỏt của đất.
Hợp lực của ỏp lực chủđộng cú trị số:
(3-9)
61
Áp lực bịđộng của đất xỏc định:
(3-10)
Trong đú:
nb – hệ số ỏp lực bịđộng của đất, lấy bằng 0,8. hđb - chiều cao cột đất gõy ỏp lực bịđộng, m. Hợp lực của ỏp lực bịđộng cú trị số: (3-11) và điểm đặt của nú ở 1/3 chiều cao cột đất ỏp lực. Hỡnh 3-7. Áp lực dũng chảy E E Hỡnh 3-8. Áp lực đất chủ và bịđộng + Lực súng :
Chiều sõu ảnh hưởng của súng bằng 10 lần chiều sõu súng, qs = 10hs/11
hs: chiều cao súng, tớnh theo giú, chiều sõu nước, chiều dài giú thổi
hs= 0,073w10K(Dε)0,5= 0,10 (m) Trong đú:
K=1+ε(-0,4D/w) = 1,95
ε =1/[9+ 19ε(−14/w)] = 0,11
w10: tốc độ giú bỡnh quõn ở độ cao 10m; w= 3,3 m/s
D: chiều dài giú thổi; D = 0,40 km;
Hỡnh 3-9.Áp lực súng và ỏp lực thủy tĩnh
62
+ Lực giú :
Cường độ tớnh toỏn :
qgiú = qokC = 0,19 (T/m) (3-12)
Trong đú:
q0: ỏp lực giú động, phụ thuộc vào vựng giú, q0 = 0,095 (T/m2) (vựng Nhà Bố); C: hệ số khớ động học, C = 1,40 (phụ thuộc vào cấu tạo khung võy);
k: hệ sốđộ cao, k = 1,40;
3.5.2.3.Tớnh toỏn ổn định cỏc kết cấu khung võy
Xột bài toỏn khung võy chịu lực bất lợi nhất khi đất ngoài khung võy cú cao trỡnh -18,0 m; mực nước thi cụng xột +1,50m.
+ Sơđồ tớnh :
Do khung võy cú kết cấu đối xứng nờn trong sơ đồ bài toỏn lựa chọn mụ hỡnh khụng gian xột ẳ khung võy; ngoài ra cừ và cọc liờn kết với đất thụng qua giả thiết là cỏc lũ xo đàn hồị
+ Tải trọng tỏc dụng lờn tường cọc vỏn thộp là tổ hợp lực bất lợi nhất của cỏc lực ngang.
Từ sơ đồ kết cấu và sơ đồ tải trọng xỏc định được cỏc mụ men gối Mi và cỏc phản lực gối tựa Ri. Đối chiếu nội lực phỏt sinh trong cừ thộp và cỏc thanh chống với khả năng chịu lực của kết cấu sẽ khẳng định được kết cấu thộp cú đảm bảo độ bền hay khụng. Ngoài ra cần xột đến chuyển vị tổng thể của cừ so với chuyển vị cho phộp của hệ kết cấụ
+ Tớnh toỏn vành đai:
Sau khi xỏc định được cỏc phản lực gối tựa Ri, sẽ xỏc định được tải trọng tỏc dụng vào vành đai và từđú tớnh được nội lực phỏt sinh trong vành đaị
Lực dọc trục trong vành đai thứ i: Ni (T).
Độ bền của vành đai theo điều kiện cường độ được kiểm tra theo cụng thức:
[ ]vanhdai i i thep i N F σ = ≤ σ (3-13)
63
Trong đú: φi – hệ số triết giảm do uốn dọc, phụ thuộc vào độ mảnh của vành đai λi. Nếu trong vành đai xuất hiện thờm mụ men thỡ cần kiểm tra:
[ ]vanhdai max i i thep i i x M N F W σ = + ≤ σ ϕ (3-14)
- Tớnh toỏn khung võy :
Mụ phỏng bài toỏn dưới dạng bài toỏn khụng gian trong đú cừ mụ phỏng là cỏc tấm bản mặt (phần tử Shell);
+ Áp dụng: Coi cọc vỏn thộp cú dạng dầm được đặt trờn nền đàn hồi (phần cọc vỏn thộp ngập trong đất, mụ phỏng đất xung quanh cọc cú dạng lũ xo đàn hồi) và cỏc gối kờ cứng do cỏc thanh chống ngang và chiều dày bờ tụng bịt đỏy tạo lờn.
+ Cỏc lực tỏc dụng chủ yếu vào cọc cừ vỏn thộp : Áp lực thủy tĩnh của nước + ỏp lực thủy động (bỏ qua ỏp lực do giú gõy ra do tải trọng nhỏ) :
- Áp lực nước tĩnh : cột nước H = 1,50 – (-18,0) = 19,50m - Áp lực thủy động : giỏ trị lớn nhất trờn mặt hđộng = 0,32 (m)
+ Mụ phỏng đất xung quanh cọc cừ và cọc ống thộp: coi cừ larsen bờn ngoài là tường chắn nước, lực nước tỏc dụng lờn tường sau đú sẽ truyền vào thành chống dọc, ngang.
Đất xung quanh cọc được mụ phỏng là cỏc lũ xo đàn hồi theo cụng thức: Ks = s1As + s2BsZn Trong đú : s1; s2 hệ số phụ thuộc vào hỡnh dỏng kết cấu; As và Bs hệ số phụ thuộc vào tớnh chất