Bài giảng Công trình bến - cảng - Chương 2: Tải trọng tác động lên công trình bến

Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến.<br /> <br /> Chương 2.<br /> <br /> TẢI TRỌNG TÁC ĐỘNG LÊN CÔNG TRÌNH<br /> BẾN.<br /> 2.1.Tải trọng và tổ hợp tải trọng.<br /> 2.1.1. Các tải trọng tác động lên công trình bến<br /> <br /> Tùy theo tính chất và thưòi gian tác động của các tải trọng trên công trình bến người<br /> ta chia những tải trọng này thành hai loại: tải trọng thường xuyên và tải trọng tạm thời.<br /> Trong đó các tải trọng tạm thời lại được phân ra ba nhóm. Tải trọng tạm thời tác động lâu<br /> dài, tải trọng tạm thời tác động tức thời (nhanh) và tải trọng tạm thời đặc biệt.<br /> 2.1.1.1. Tải trọng thường xuyên:<br /> <br /> Là tải trọng tác động lên công trình hay kết cấu công trình trong suốt quá trình khai<br /> thác, bao gồm:<br /> - Trọng lượng bản thân của công trình bến;<br /> - Trọng lượng đất lấp trên công trình bến;<br /> - Tải trọng do các công trình và thiết bị công nghệ đặt cố định trên bến;<br /> - Áp lực chủ động của đất lấp sau công trình bến.<br /> 2.1.1.2. Tải trọng tạm thời<br /> <br /> Là tải trọng tác động lên công trình trong một thời gian hoặc từng thời kỳ nhất định<br /> trong quá trình xây dựng và khai thác công trình.<br /> a) Tải trọng tạm thời tác động lâu dài:<br /> Tải trọng tác động lên công trình trong một thưòi gian tương đối dài.<br /> - Tải trọng do các máy bốc xếp di động, các phương tiện vận tải và hàng hóa xếp<br /> trên bến;<br /> - Áp lực chủ động của đất do ảnh hưởng của tải trọng tạm thời trên bến;<br /> - Áp lực thủy tĩnh do mực nước ngầm sau công trình bến cao hơn mực nước trước<br /> bến, trong điều kiện hệ thống công trình thoát nước ngầm của bến vẫn hoạt động<br /> bình thường.<br /> b) Tải trọng tạm thời tác động tức thời:<br /> Tải trọng tác động lên công trình trong một thời gian ngắn<br /> - Tải trọng do sóng;<br /> - Tải trọng do tàu: lực neo tàu, lực tựa tàu và lực va khi tàu cặp bến;<br /> - Tải trọng ngang do cần cẩu;<br /> - Tải trọng tác động trong giai đoạn xây lắp.<br /> c) Tải trọng tạm thời đặc biệt:<br /> Tải trọng tác động lên công trình trong thời gian ngắn, trong điều kiện đặc biệt<br /> <br /> 2-1<br /> <br /> Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến.<br /> <br /> - Áp lực thủy tĩnh do mực nước ngầm sau công trình bến cao hơn mực nước trước<br /> bến, trong điều kiện chỉ có một nửa hệ thống công trình thoát nước ngầm còn hoạt<br /> động được;<br /> - Tải trọng do động đất, sóng thần.<br /> Các tải trọng nói trên được chọn để ghép vào với nhau thành nhiều tổ hợp khác<br /> nhau. Công trình bến được tính toán theo hai loại tổ hợp tải trọng: Tổ hợp cơ bản và tổ<br /> hợp đặc biệt.<br /> 2.1.2.Các tổ hợp tải trọng:<br /> <br /> Khi tính toán công trình bến hay kết cấu của nó người ta phải tổ hợp tất cả các tải<br /> trọng có thể đồng thời tác dụng lên công trình gây trạng thái ứng suất biến dạng bất lợi<br /> nhất cho công trình hay các bộ phận của nó.<br /> 2.1.2.1. Tổ hợp tải trọng cơ bản bao gồm:<br /> <br /> Các tải trọng thường xuyên, các tải trọng tạm thời tác động lâu dài và một trong số<br /> các tải trọng tạm thời tác động tức thời. Trong đó tải trọng tạm thời tác động tức thời<br /> được chọn đưa vào tổ hợp cơ bản phải là tải trọng gây ảnh hưởng nhiều nhất đối với trạng<br /> thái ứng suất, biến dạng của toàn bộ kết cấu hoặc của từng bộ phận kết cấu và nền công<br /> trình. ngoài ra phải lựa chọn thành phần và cách xếp đặt các tải trọng sao cho có được tổ<br /> hợp bất lợi nhất.<br /> 2.1.2.2) Tổ hợp tải trọng đặc biệt.<br /> <br /> Gồm các tải trọng thường xuyên các tải trọng tạm thời có khả năng xảy ra cùng một<br /> lúc và một trong số các tải trọng tạm thời đặc biệt. Trong đó các tải trọng tạm thời tác<br /> động nhanh được nhân với hệ số tổ hợp n1 = 0,8 để xét đến việc trong thực tế tải trọng<br /> tạm thời đặc biệt và các tải trọng tạm thời khác ít có xác suất đạt đến giá trị lớn nhất<br /> trong cùng một lúc.<br /> Ngoài những tải trọng kể trên, khi thiết kế công trình bến phải xem xét những tác<br /> động khác có ảnh hưởng đến an toàn và tuổi thọ công trình như khả năng đất nền bị bào<br /> xói do dòng chảy, sóng, hoặc chân vịt của tàu, khả năng các cấu kiện bị han gỉ hoặc bị tác<br /> động bao mòn của phù sa.<br /> Tải trọng dùng để tính toán kết cấu và nền công trình có thể có hai giá trị Tiêu<br /> chuẩn và tính toán. Việc sử dụng giá trị nào để tính toán phải phù hợp với quy định của<br /> từng bài toán cụ thể.<br /> Giá trị tiêu chuẩn của từng loại tải trọng được quy định trên cơ sở quan trắc những<br /> yếu tố tạo ra tải trọng đó và chỉnh biên các số liệu quan trắc bằng phương pháp xác suất<br /> thống kế. Giá trị tính toán của tải trọng được xác định bằng cách nhân giá trị tiêu chuẩn<br /> với hệ số vượt tải n. Nếu việc giảm nhỏ trị số của một tải trọng nào đó sẽ ảnh hưởng xấu<br /> đến khả năng chịu tải của công trình hoặc từng bộ phận công trình thì giá trị tính toán của<br /> tải trọng dó được xác định bằng cách nhân giá trị tiêu chuẩn với số nghịch đảo của hệ số<br /> vượt tải (1/n).<br /> Trong bảng 2.1 ghi giá trị hệ số vượt tải của các tải trọng thường gặp trong tính toán<br /> công trình bến.<br /> <br /> 2-2<br /> <br /> Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến.<br /> <br /> Bảng 2_ 1 Giá trị vượt tải của một số tải trọng<br /> STT<br /> Tải trọng<br /> Hệ số vượt tải (n)<br /> 1<br /> Trọng lượng bản thân của các kết cấu bê tông, bê tông<br /> 1,05 (0,95)<br /> cốt thép, thép, đá và gỗ<br /> 2<br /> Trọng lượng bản thân của đất lấp<br /> 1,10 (0,90)<br /> 3<br /> Trọng lượng của các máy bốc xếp, phương tiện vận tải<br /> 1,20<br /> và hàng hóa xếp ở vùng ven bến<br /> 4<br /> Tải trọng phân bố đều của hàng hóa xếp ở vùng<br /> 1,30<br /> chuyển tiếp và vùng sau bến<br /> 5<br /> Áp lực hông của đất<br /> 1,20 (0,80)<br /> 6<br /> Tải trọng do tàu<br /> 1,20<br /> 7<br /> Tải trọng do sóng<br /> 1,00<br /> 8<br /> Áp lực thủy tĩnh của nước ngầm<br /> 1,10<br /> 9<br /> Tải trọng do động đất<br /> 1,00<br /> Ghi chú:<br /> - Các trị số trong ngoặc được lấy khi tính toán làm cho công trình nguy hiểm thêm.<br /> - Theo Tiêu chuẩn ngành 22TCN 207-92 hàng dùng hệ số vượt tải n = 1,25 thì<br /> không sử dụng các hệ số trong bảng trên.<br /> 2.2.Trọng lượng bản thân của các cấu kiện công trình bến.<br /> Trọng lượng bản thân của các cấu kiện công trình bến được xác định trên cơ sở<br /> kích thước hình học của cấu kiện và dung trọng vật liệu dùng để chế tạo ra cấu kiện đó.<br /> Trường hợp công trình nằm dưới mực nước tính toán, khi xác định trọng lượng các cấu<br /> kiện phải trừ đi lực đẩy nổi thủy tĩnh tác dụng lên cấu kiện. Trị số lực đẩy nổi thủy tĩnh<br /> bằng trọng lượng khối nước bị choán chỗ. Đối với vật liệu có cấu trúc đặc (kim loại, bê<br /> tông, bê tông cốt thép v.v...) dung trọng của vật liệu nằm dưới nước bằng:<br /> <br /> γ ®n = γ - 1<br /> <br /> (2. 1)<br /> <br /> Trong đó:<br /> γ: dung trọng vật liệu trong không khí.<br /> <br /> Trọng lượng đất lấp tác động trên một đơn vị diện tích bề mặt nằm ngang của công<br /> trình lấy bằng tích số giữa dung trọng đất và chiều cao lớp đất lấp. Dung trọng đất trong<br /> trạng thái đẩy nổi (nằm dưới nước) được xác định có xét đến độ rỗng của đất theo công<br /> thức:<br /> γ ®n =<br /> <br /> γr -1<br /> 1+ ε<br /> <br /> Trong đó:<br /> γr : Tỷ trọng bình quân của các hạt rắn, thông thường;<br /> γr = 2,65 ÷ 2,75 T/m3;<br /> ε: Hệ số độ rỗng.<br /> <br /> Đối với đất cát trong tính toán thực tế có thể lấy γđn = 1,0 T/m3.<br /> 2.3. Áp lực thủy tĩnh và tải trọng do sóng.<br /> 2-3<br /> <br /> (2. 2)<br /> <br /> Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến.<br /> 2.3.1. Áp lực thủy tĩnh<br /> <br /> Áp lực thủy tĩnh tác động lên công trình bến xuất hiện khi mực nước trong lòng bến<br /> cao hơn mực nước trước bến. Nguyên nhân dẫn đến sự chênh lệch này giữa hai mực nước<br /> thường là do mực nước trước bến hạ xuống khi triều rút, khi chịu tác động của gió theo<br /> hướng từ bờ ra biển, hoặc khi mực nước dao động theo mùa cũng có khi, mực nước ngầm<br /> dâng lên do nước mưa rào hoặc nước thải ra từ các máy bốc xếp thủy lực.<br /> Có những loại kết cấu công trình bến có kảh năng thoat nước, nhờ đó áp lực thủy<br /> tĩnh của ngước ngầm haùa như không xuất hiện. Đó là những công trình bến có kết cấu<br /> dạng chuồng, dạng tường cừ bằng cọc bê tông cốt thép không có khóa liên kết, dạng<br /> tường trọng lực trên đệm đá có lăng thể giảm tải lòng bến v.v...<br /> Áp lực thủy tĩnh của nước ngầm thường xuất hiện ở các công trình bến dạng tường<br /> cừ bằng thép đóng vào tầng sét, hoặc dưới chân tường có tầng sét, có tác dụng như tầng<br /> không thấm nước. Lớp đất được coi là tầng không thấm nước khi hệ số thấm của lớp đất<br /> đó nhỏ hơn 1/10 hệ số thấm của lớp đất lấp bên trên. Trong thực tế đã có trường hợp sau<br /> bến tường cừ mực nước ngầm cao hơn 3 ÷ 4 mét so với mực nước trước bến. Độ chênh<br /> mực nước đó đã làm mô men uốn trong cừ và nội lực trong thanh neo tăng lên 1,5 lần.<br /> Bởi vậy, khi kết cấu bến và tầng đất bên dưới có tác dụng ngăn nước thì khi thiết kế cần<br /> xét tới xây dựng hệ thống công trình thoát nước ngàm thích hợp đồng thời để lấp lòng<br /> bến phải dùng loại đất có hệ số thấm không nhỏ hơn 5m ngày đêm.<br /> Áp lực thủy tĩnh của nước ngầm có thể không cần xét đến trong những trường hợp<br /> sau:<br /> - Bến có kết cấu tường trọng lực đặt trên đệm đá với chiều dày lớp đệm đá trên<br /> 0,5m (không phụ thuộc gì vào độ thấm nước của nền đá và biện pháp kết cấu đã<br /> dùng để che chắn không cho đát lọt qua khe tiếp giáp giữa các cấu kiện);<br /> - Bến dạng tường góc họăc tường cừ có những khe tiếp giáp giữa các cấu kiện nằm<br /> cách nhau không quá 4 mét theo chiều dài bến và được che chắn bằng tầng lọc<br /> ngược (không phụ thuộc gì vào độ thấm nước của nền).<br /> Trong trường hợp khe tiếp giáp giữa các cấu kiện tường mặt của bến có cấu tạo<br /> không thấm nước (cừ thép liên kết khóa màn chắn bằng vật liệu tổng hợp v.v...) cần tính<br /> toán áp lực thủy tĩnh tác động lên công trình do mực nước ngầm cao hơn mực nước trước<br /> bến. Trong thực tế có thể có hai trường hợp tính toán sau đây.<br /> 2.3.1.1).Trường hợp 1<br /> <br /> Bến tường cừ có chôn cừ nằm trong tầng không thấm nước (hình 2.1a) hoặc bến<br /> tường góc mà giữa bản đáy và tầng không thấm nước có lớp đệm đá dày không quá 0,5m<br /> (hình 2.1b).<br /> Trong trường hợp này áp lực thủy tĩnh xác định theo biểu đồ vẽ trên các hình 2.1a,<br /> và 2.1b, trong đó cột áp lực ∆h lấy bằng hiệu số độ cao giữa mực nước cao nhất và mực<br /> nước thấp nhất trước bến, tức là xem mực nước ngầm vẫn giữ nguyên ở cao độ mực nước<br /> cao nhất khi mực nước trước bến đã hạ đến vị trí thấp nhất do quá trình dao động mực<br /> nước theo ngày. Với chế độ dao động mực nước theo mùa và chiều dài tuyến bến trên<br /> 1000m, để dựng biểu đồ áp lực thủy tĩnh trị số ∆h được giảm di 10 ÷ 20%.<br /> <br /> 2-4<br /> <br /> Chương 2. Tải trọng tác động lên công trình bến.<br /> <br /> b)<br /> <br /> a)<br /> MNCN<br /> <br /> ngÇm<br /> <br /> MN<br /> <br /> σ= h<br /> <br /> MNTN<br /> <br /> TÇng<br /> kh«ng<br /> thÊm<br /> n−íc<br /> <br /> h<br /> <br /> MNTN<br /> <br /> BiÓu ®å<br /> AL thuû tÜnh<br /> <br /> BiÓu ®å<br /> ¸p lùc<br /> thuû tÜnh<br /> <br /> TÇng kh«ng thÊm n−íc<br /> c)<br /> MNCN<br /> MN<br /> <br /> ngÇm tÝnh to¸n<br /> <br /> MNTN<br /> <br /> l3<br /> <br /> l1<br /> <br /> l2<br /> <br /> BiÓu ®å<br /> AL thuû tÜnh<br /> <br /> TÇng kh«ng thÊm<br /> <br /> Hình 2_ 1 Sơ đồ tính áp lực thủy tĩnh của nước ngầm<br /> trên công trình bến.<br /> 2.3.1.2.Trường hợp 2<br /> <br /> Bến tường cừ có chân tường đóng chưa đến tầng không thấm nước (hình 2.1c).<br /> Trong trường hợp này để dựng biểu đồ áp lực thủy tĩnh của nước ngầm cột nước ∆h được<br /> xác định riêng cho hai chế độ dao động mực nước, theo mùa và theo ngày.<br /> Đối với dao động mực nước theo mùa, cột nước ∆h có thể tính toán theo công thức<br /> của Shul.<br /> ∆h =<br /> <br /> Vy .L ⎡<br /> ⎛ K th .t ⎞⎤<br /> ⎢1 − exp⎜ − L ⎟⎥<br /> K th ⎣<br /> ⎝<br /> ⎠⎦<br /> <br /> (2. 3)<br /> <br /> Trong đó:<br /> Vy - Tốc độ hạ trung bình của mực nước trước bến (xác định theo đường quá trình<br /> mực nước);<br /> L - Chiều dài giả định của mạch thấm<br /> kth - Hệ số thấm của đất;<br /> t - Thời gian hạ từ mực nước cao nhất xuống mực nước thấp nhất.<br /> Công thức tính chiều dài giả định L của mạch thấm có dạng:<br /> <br /> (<br /> <br /> )<br /> <br /> L = 2 1 + 3 l1 / l 2 (l 2 + l3 )sin 45o<br /> Trong đó:<br /> 2-5<br /> <br /> l2<br /> l 2 + l3<br /> <br /> (2. 4)<br /> <br />