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 />