8.1 Phạm vi áp dụng
Những quy định trong chơng này cần đợc áp dụng cho việc thiết kế kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn với loại đặt và loại chôn trong đất nền.
[Chú giải]
Kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn dạng đặt trên đất nền là kết cấu bến không có phần trụ ống chôn trong nền. Trong nhiều trờng hợp kết cấu bến này đợc xây dựng trên nền móng đủ cứng hoặc là nền đất đã đợc cải tạo để có thể đảm bảo đủ khả năng chịu tải. Kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn dạng chôn trong đất là kết cấu bến mà trụ ống thép đợc chôn một phần trong đất nền để tăng ổn
định chung của kết cấu.
8.2 Kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn dạng không chôn trong đất nền 8.2.1 Nguyên lý thiết kế
Những quy định trong chơng này cần áp dụng cho việc thiết kế kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn loại đặt trên nền đất.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Thiết kế kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn dạng đặt trên nền đất thờng đợc thực hiện theo trình tự ở Hình T-8.2.1
Xác định các điều kiện thiết kế
Giả định kích th ớc của t ờng
Tính toán ngoại lực tác dụng
Kiểm tra khả năng chống tr ợt
Kiểm tra ổn định tổng thể của t ờng
Kiểm tra sức chịu tải của đất nền
Kiểm tra ổn định tr ợt cung tròn
Xác định bề dày của t ờng
Bố trí mặt bằng ô cừ và cung
ThiÕt kÕ chi tiÕt
Nghiên cứu biện pháp cải tạo đất nền Không đạt
Không đạt Không đạt
Không đạt đạt
đạt
đạt
đạt
đạt
Hình T-8.2.1 Trình tự thiết kế kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn loại đặt trên nền đất (2) Hình T-8.2.2 là ví dụ của kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn dạng không chôn trong nền đất (3) Nhìn chung, (a) kiểm tra biến dạng tờng đợc yêu cầu đối với thiết kế trong các điều kiện bình th-
ờng và (b) kiểm tra ổn định tuờng tờng chống lật chỉ đợc yêu cầu đối với thiết kế động đất.
- VIII. 52 - -
(4) Đối với vật liệu đắp trong lòng ô và đổ sau tờng, nên sử dụng cát đầm kỹ chất lợng tốt hoặc dùng những vật liệu không bị hóa lỏng nh đá, sỏi để hạn chế nguy hiểm do sự hóa lỏng khi động đất.
Hình T-8.2.2 Ví dụ về kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn
8.2.2 Ngoại lực tác dụng lên kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn
Ngoại lực tác dụng lên kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn cần theo 7.2 Ngoại lực tác dụng lên kết cấu bến dạng cừ vây.
8.2.3 Kiểm tra chiều rộng của tờng chống lại biến dạng trợt
Kiểm tra biến dạng trợt của thân tờng cần đợc thực hiện với các tải trọng tác dụng trong các điều kiện bình thờng. Chiều rộng tơng đơng của tờng cần đựợc xác định theo 7.3.2 Chiều rộng tơng đơng của tờng. Tính toán mô men biến dạng đợc thực hiện theo 7.3.3 Tính toán mô men biến dạng. Mô men kháng đợc tính toán thích hợp khi xem xét những đặc trng kết cấu của khung cọc ống và biến dạng của tờng.
[Chú giải]
Thuật ngữ mô men biến dạng nêu trên là mô men lấy với đáy biển do các ngoại lực tác dụng lên “ ” phần thân tờng bên trên đáy biển, bao gồm áp lực đất chủ động và áp lực nớc d.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Hệ số an toàn chống lại biến dạng trợt nên lấy bằng 1,2 hoặc lớn hơn đối với các điều kiện bình thờng (ví dụ ở vùng không có động đất)
(2) Khi không cho phép biến dạng của thân tờng (ví dụ khi chuyển vị ngang của đỉnh trụ ống nhỏ hơn khoảng chừng 0,5% chiều cao tờng), momen kháng chống biến dạng đợc tính toán theo biểu thức (8.2.1) và (8.2.2):
( )
( φ ) φ
γ
sin cos 3
1 6
2
3 ' 0
d d d
d d rd
v v R
R H M
−
=
=
Trong đó:
Mrd: Momen kháng chống biến dạng của kết cấu bến trụ ống (kN.m/m)
Hd’: Chiều cao tơng đơng của tờng sử dụng trong kiểm tra biến dạng của kết cấu bến trụ ống Rd: Hệ số kháng biến dạng(m)
γ0 : Trọng lợng đơn vị tơng đơng của vật liệu đắp (KNm3)
vd: Tỷ số giữa chiều rộng tơng đơng và chiều cao tơng đơng của tờng sử dụng trong tính toán mô men kháng, vd = B/Hd’
B : Chiều rộng tơng đơng của tờng (m)
- VIII. 53 -
(8.21) (8.22)
Vây ô thép phẳng
Cọc ống thép
Cát thay thế
Cọc ống thép Cọc ống thép
Đệm cao su chữ V
Cát bảo vệ phía trớc
TuyÕn mÐp bÕn
Vật liệu đắp
(Đơn vị mm)
φ : Góc nội ma sát của vật liệu đắp (0)
(3) Trong tính toán mô men kháng, chiều cao tờng tơng đơng Hd’ đợc tính toán theo biểu thức (8.2.3).
Chiều cao Hd’ là phần bên trên đáy biển.
i i
d h
H = γ ∑ γ
0
' 1
(8.23) Trong đó:
γ : Trọng lợng đơn vị của lớp vật liệu đắp thứ i (kN/m3) hi : Chiều dày của lớp thứ i (từ đáy biển lên đỉnh tờng) (m)
γ0 : Trọng lợng đơn vị tơng đơng của vật liệu đắp (kN/m3); thông thờng γ0 = 10kN/m3
Trong tính toán chiều cao tờng tơng đơng Hd’, hoạt tải có thể bỏ qua nh đã thảo luận trong 7.3.4 Tính toán momen kháng.
(4) Khi vật liệu đắp có thể xem nh là đồng nhất, chiều cao Hd của đỉnh tờng bến tính từ đáy biển có thể dùng thay thế cho chiều cao tơng đơng Hd’ của biểu thức (8.2.1)
8.2.4 Kiểm tra ổn định tổng thể của thân tờng
Kiểm tra ổn định chống trợt của thân tờng cần đợc tính toán theo 4.3.2 Kiểm tra khả
năng chống trợt của tờng. Trong tính toán kiểm tra ổn định lật của kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn, ổn định của trụ ống thép cần đợc kiểm tra chống lại các ngoại lực tác dụng bên trên đáy tờng, bao gồm áp lực đất, áp lực nớc d và lực động
đất. [Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Hệ số án toàn chống lật đối với các điều kiện đặc biệt nên bằng 1,1 hoặc lớn hơn.
(2) Momen kháng lật của trụ ống thép đợc tính toán bằng biểu thức (8.2.4) và (8.2.5)
( ) ( γ v ϕ ) ϕ ( α β ) v β
v R
R H M
t
t ro
6 3
sin cos 3
1 6
2 2 '
2 '
3 ' 0
+
− +
−
=
=
Trong đó:
Mro: Momen kháng lật của trụ ống thép đờng kính lớn (kN.m/m)
( ) ( )
( α β )
δ φ φ δ
β
δ α
+
−
=
− +
=
= v v
v v K
K
a a
'
' '
tan tan cos 2 4
tan tan
H’ : Chiều cao tơng đơng của trụ ống để tính mô men kháng lật (m) Rt : Hệ số kháng lật
v : Tỷ số giữa chiều rộng tờng tơng đơng và chiều cao tờng tơng đơng của trụ ống, v = B/H’ B : Chiều hiều rộng tơng đơng của trụ ống (m)
δ Góc ma sát tờng với vật liệu đắp (0); thông thờng δ = 15 Ka Hệ số áp lực đất chủ động của vật liệu đắp
Những ký hiệu khác xem ở biểu thức (8.2.1) và (8.2.2)
(3) Chiều cao tờng tơng đơng H’ dùng để tính mô men kháng lật đợc tính toán theo biểu thức (8.2.6)
∑
= ihi
H γ
γ0
' 1
Trong đó:
γ i: Trọng lợng đơn vị của lớp vật liệu đắp thứ i (kN/m3)
hi : Chiều dày của lớp vật liệu thứ i (từ đáy tờng lên đỉnh tờng) (m)
(4) Do phơng trình tính toán hệ số kháng lật Rt rất phức tạp, mối liên hệ giữa Rt, φ và v cho trong Hình T-8.2.3. Trong đồ thị này giả thiết δ = 150
- VIII. 54 - -
(8.24) (8.25)
Hình 8.2.3 Mối quan hệ giữa Hệ số kháng lật Rt, v và φ
(5) Nhìn chung, vật liệu đắp của kết cấu bến trụ thép đờng kính lớn là không đồng nhất vì phần chính của công tác đắp đợc thực hiện ở dới nớc và chịu lực đẩy nổi. Do vậy ở đây cũng sử dụng chiều cao tờng tơng đơng nh trong tính toán mô men kháng chống biến dạng của kết cấu bến cừ thép khung vây.Khi vật liệu đắp có thể xem nh đồng nhất, chiều cao tờng tổng cộng của khung vây H có thể dùng trong tính toán thay cho chiều cao tờng tơng đơng H của biểu thức (8.2.4). Cũng có ’ thể dùng Hình T-8.2.3 để tính toán.
(6) Momen kháng lật là momen ở vị trí đáy của tờng bến do ngoại lực ở phần trên đáy tờng tác dụng.
Chiều cao tơng đơng của trụ ống H’ dùng trong tính toán momen kháng đợc lấy bằng chiều cao phần trên đáy của trụ ống.
8.2.5 Kiểm tra khả năng chịu lực của đất nền
Phản lực đất nền lớn nhất hình thành ở chân trớc của trụ ống thép cần đợc tính toán thích hợp khi xem xét tác động của vật liệu đắp lên mặt trớc của tờng trụ ống.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Phản lực đất nền lớn nhất hình thành ở chân trớc của trụ ống thép đợc kiểm tra bằng biểu thức (8.2.7)
φ γ 2 tan2 2
1 H
Vt = (8.2.7)
Trong đó:
Vt : Phản lực đất nền lớn nhất hình thành ở chân trớc của trụ ống thép (kN/m) γ : Trọng lợng riêng đơn vị của vật liệu đắp (kN/m3)
H : Chiều cao toàn bộ của tờng trụ ống (m) φ : Góc nội ma sát của vật liệu đắp(0)
Biểu thức (8.2.7) thể hiện trọng lợng của khối vật liệu đắp nằm ở trớc chân trụ ống với giả thiết bằng tích số của hệ số áp lực đất của vật liệu đắp và hệ số ma sát của tờng bằng tan2φ. Do đó khi vật liệu đắp không đồng nhất, việc tính toán nên theo cách nh đối với tính toán áp lực đất.
(2) Chiều cao H thờng đợc lấy bằng chiều cao của đỉnh tờng so với đáy tờng. Tuy nhiên, khi kết cấu phần trên của trụ ống đợc đỡ bởi nền cọc, chúng có thể lấy bằng chiều cao từ đáy của kết cấu phần trên đến đáy trụ ống.
(3) Biểu thức (8.2.7) thể hiện phản lực ở mặt trớc của chân trụ ống khi tính toán momen lật lấy gần
đúng bằng momen kháng lật ở biểu thức (8.2.4). Trong trờng hợp không xuất hiện lật, phản lực nhỏ hơn giá trị có đợc từ biểu thức (8.2.7). Theo thí nghiệm mô hình, phản lực lớn nhất ở chân trụ ống Vt gần tỷ lệ tuyến tính với mô men lật. Vì vậy phản lực trong trờng hợp không xuất hiện lật đợc tính toán bằng biểu thức (8.2.8)
= Vt M Mro
V (8.2.8)
Trong đó:
V : Phản lực ở chân trớc trụ ống tơng ứng với mô men lật M (kN/m) M : Mô men lật (kN.m/m)
Mr0: Mô men kháng lật (kN.m/m)
Do vậy, việc sử dụng trụ ống thép đờng kính lớn hơn nhằm tạo an toàn kháng lật bằng việc tăng momen Mro, giảm phản lực mặt trớc của chân trụ ống V.
(4) Kiểm tra khả năngchịu lực của đất nền đợc tính toán theo Phần V, Chơng 2 Khả năng chịu lực của móng nông.
- VIII. 55 -
82.6 Kiểm tra ổn định trợt cung tròn
Kiểm tra ổn tờng trợt cung tròn cần đợc thực hiện theo 7.8 Kiểm tra ổn định trợt cung tròn.
8.27 Xác định chiều dày của bản thép thành ống
Chiều dày của bản thép thành ống cần đợc xác định bằng tính toán thích hợp lực căng lớn nhất theo phơng ngang tác dụng nên trụ ống.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Lực căng lớn nhất tác động lên trụ ống đợc tính toán theo biểu thức (8.2.9)
( )
[ H q h ] R
T = γ0 d' + + tan φ + γw w
Trong đó:
T : Lực căng theo phơng ngang (kN/m) R : Bán kính của trụ ống (m)
Hd’ : Chiều cao tờng tơng đơng bên trên mặt đáy biển (m) (xem biểu thức (8.2.3)) hw : Độ chênh lệch mực nớc ở trớc và bên trong trụ ống (m)
γ0 : Trọng lợng đơn vị tơng đơng của vật liệu đắp (KN/m3) γ0 : Trọng lợng riêng đơn vị của nớc biển (KN/m3)
φ : Góc nội ma sát của vật liệu đắp (0) q : Hoạt tải (kN/m2)
Khi vật liệu đắp đồng nhất, chiều cao Hd của tờng bến trụ ống từ đỉnh đến đáy biển chính là chiều cao tờng tơng đơng Hd’.
(2) Chiều dày của trụ ống thép đợc lựa chọn để ứng xuất kéo trong biểu thức (8.2.9) bằng hoặc nhỏ hơn ứng xuất cho phép theo mục III, 2.3 ứng xuất cho phép. Xem xét đến điều kiện ăn mòn và
độ cứng của trụ ống, thép thành trụ ống phải dày tối thiểu là 6mm.
8.2.8 Mặt bằng của ô vây ống và cung
Mặt bằng của ô vây và cung đợc xác định theo 7.9 Mặt bằng của ô vây và cung.
8.2.9 ThiÕt kÕ chi tiÕt
Thiết kế chi tiết kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn loại chôn vào nền đất đợc thực hiện theo 7.12 Thiết kế chi tiết.
8.3 Kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn dạng chôn vào nền đất 8.3.1 Nguyên tắc thiết kế
Những quy định trong chơng này cần sử dụng cho việc thiết kế kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn có một phần chôn trong đất.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) Thiết kế kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn dạng chôn trong đất thờng đợc thực hiện theo trình tự ở Hình T-8.3.1
- VIII. 56 - -
Xác định các điều kiện thiết kế Giả định kích th ớc của t ờng
Tính toán ngoại lực tác dụng
Kiểm tra khả năng chống tr ợt
Kiểm tra sức chịu tải của lớp đệm
Không đạt
Không đạt
đạt đạt
đạt
đạt
đạt
Đánh giá các hệ số phản lực của đất nền
Tính toán phản lực nền và chuyển vị của t ờng
Kiểm tra khả năng chống tr ợt của t ờng
Kiểm tra chuyển vị của đỉnh t ờng
Kiểm tra ổn định tr ợt cung tròn
Bố trí mặt bằng vòng và cung cừ
Xác định bề dày của vòng và cung cừ ThiÕt kÕ chi tiÕt
Giả định lại kích th ớc của t ờng hay nghiên cứu biện pháp cải tạo đất nền
Nghiên cứu ph ơng án cải tạo đất nền Không đạt
Không đạt
Không đạt
đạt
Hình T.8.3.1 Trình tự thiết kế kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn dạng chôn vào nền đất (2) Kết cấu tờng bến trụ ống thép đờng kính lớn dạng chôn vào nền đất là dạng kết cấu mà sự ổn
định của kết cấu đợc tăng lên bằng việc chôn trụ ống thép vào trong nền đất cát. Phơng pháp thiết kế mô tả trong chơng này dựa trên kết quả các thí nghiệm mô hình của trụ ống thép đợc chôn trong đất chủ yếu bằng cách đóng vào trong đất cát và áp dụng cho kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn loại đợc chôn trong đâts nền một khoảng lớn hơn hoặc bằng 1/8 chiều cao của tờng bến1)2). Đối với các trờng hợp (a) nền đất là cứng và không thể chôn trụ ống vào nền đất đến 1/8 chiều cao tờng bến hoặc lớn hơn, (b) tỷ số của chiều rộng tờng tơng đơng và chiều cao tờng t-
ơng đơng có sự khác biệt tơng đối lớn so với các dạng trụ ống thông thờng (giá trị này bằng từ 1/2~2), và/hoặc (c) kết cấu đợc xây dựng trên nền đất sét hoặc nền đất đợc cải tạo bằng phơng pháp cọc cát đầm chặt v.v.. việc kiểm tra khác nữa sẽ đợc thực hiện bổ sung vào phơng pháp thiết kế đã mô tả trong chơng này, vì các trờng hợp này bao gồm cả những vấn đề vẫn cha đợc giải quyết.
- VIII. 57 -
Hình T.8.3.2 Ví dụ về kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn dạng chôn vào nền đất
8.3.2 Ngoại lực tác dụng lên kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn dạng chôn vào nền đất
Ngoại lực tác dụng lên kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn dạng chôn vào nền đất cần đợc tính toán theo 7.2 Ngoại lực tác dụng lên kết cấu bến cừ thép khung vây.
8.3.3 Kiểm tra chiều rộng tờng chống lại biến dạng trợt
Kiểm tra cờng độ của thân tờng chống lại biến dạng trợt cần đợc tính toán theo 7.3 Kiểm tra chiều rộng tờng chống lại biến dạng trợt.
8.3.4 Kiểm tra ổn định tổng thể của thân tờng
Kiểm tra ổn định tổng thể của kết cấu bến trụ ống thép đờng kính lớn loại chôn vào nền đất cần đợc thực hiện theo 7.4 Kiểm tra ổn định tổng thể của thân tờng.
8.3.5 Kiểm tra sức chịu tải của nền đất
Kiểm tra sức chịu tải của nền đất cần đợc thực hiện theo 7.5 Kiểm tra sức chịu tải của nền đất.
8.3.6 Kiểm tra khả năng chống trợt của tờng
Kiểm tra ổn định chống trợt của tờng kết cấu bến trụ ống cần đợc thực hiện theo 4.3.2 Kiểm tra khả năng kháng trợt của tờng và 7.6 Kiểm tra khả năng kháng tr- ợt của tờng.
8.3.7 Kiểm tra chuyển vị của đỉnh tờng
Kiểm tra chuyển vị theo phơng ngang của đỉnh kết cấu bến trụ ống đợc thực hiện theo 7.7 Kiểm tra chuyển vị của đỉnh tờng.
8.3.8 Kiểm tra ổn định trợt cung tròn
Kiểm tra ổn định trợt cung tròn của kết cấu bến trụ ống đợc thực hiện theo 7.8 Kiểm tra ổn định trợt cung tròn.
8.3.9 Mặt bằng ô vây và cung
Mặt bằng ô vây và cung đợc xác định theo 7.9 Mặt bằng ô vây và cung.
8.3.10 Xác định chiều dày thành ô vây và cung
ứng suất căng lớn nhất theo phơng ngang hình thành trong thành ô vây và cung không đợc vợt quá ứng suất cho phép.
[Chỉ dẫn kỹ thuật]
(1) ứng suất căng lớn nhất theo phơng ngang hình thành trong thành ô vây và cung đợc tính toán theo biểu thức (8.3.1)
T t
σ = (8.3.1)
Trong đó:
σ : ứng suất căng lớn nhất theo phơng ngang hình thành trong tiết diện ô vây và cung (kN/mm)
t : Chiều dày bản thép của tiết diện ô vây và cung (mm)
T : Lực căng lớn nhất theo phơng ngang tác dụng lên ô vây và cung trong các điều kiện b×nh thêng (kN/mm)
Ngoài ứng suất căng theo phơng ngang do vật liệu đắp gây ra, ô vây còn chịu ứng suất theo ph-
ơng thẳng đứng và ứng suất cắt. Tuy nhiên theo thí nghiệm mô hình và đo đạc thực tế cho thấy ứng suất căng theo phơng ngang có giá trị vợt trội hơn các ứng suất khác sinh ra trong ô vây. Vì
vậy, việc kiểm tra cờng độ chỉ cần thiết đối với lực căng theo phơng ngang.
- VIII. 58 - -
Vây ô thép phẳng
Cát thay thế
Vùng đầm chặt
Bùn sét Cát đắp