Áp dụng phương pháp xác suất để tính toán bến tường cừ

CẤU TẠO BẾN TƯỜNG CỪ THÉP & CÁCH XÁC ĐỊNH 2.1 CẤU TẠO BẾN TƯỜNG CỪ THÉP MỘT TẦNG NEO 2 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ÁP LỰC ĐÁT LÊN TƯỜNG MẶT 2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰA THEO LÝ THUYẾT COUL

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-  -

ĐỖ NGUYÊN CHI

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÁC SUẤT ĐỂ TÍNH

TOÁN BẾN TƯỜNG CỪ

CHUYÊN NGÀNH: CẢNG VÀ CÔNG TRÌNH THỀM LỤC ĐỊA

Mã số: 2.14.14, 2.14.15

LUẬN VĂN THẠC SĨ

LUẬN VĂN ĐƯỢC BẢO VỆ TẠI HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Tài liệu này có thể tham khảo tại:

Thư viện trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp Hồ Chí Minh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

-  -

ĐỖ NGUYÊN CHI

ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÁC SUẤT ĐỂ TÍNH

TOÁN BẾN TƯỜNG CỪ

CHUYÊN NGÀNH: CẢNG VÀ CÔNG TRÌNH THỀM LỤC ĐỊA

Mã số: 2.14.14, 2.14.15

LUẬN VĂN THẠC SĨ

HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TIẾN SĨ PHAN DŨNG

CHẤM NHẬN XÉT 1: TIẾN SĨ NGÔ NHẬT HƯNG

CHẤM NHẬN XÉT 2: TIẾN SĨ TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

LUẬN VĂN ĐƯỢC BẢO VỆ TẠI HỘI ĐỒNG BẢO VỆ LUẬN VĂN THẠC SĨ TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

Tài liệu này có thể tham khảo tại:

Thư viện trường Đại học Bách khoa Tp Hồ Chí Minh Thư viện Khoa học Tổng hợp Tp Hồ Chí Minh

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA -oOo -

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên học viên: ĐỖ NGUYÊN CHI Phái: NAM

Ngày tháng năm sinh: 24 – 04 -1959 Nơi sinh: PHÚ YÊN Chuyên ngành: CẢNG & CÔNG TRÌNH THỀM LỤC ĐỊA Mã số ngành:2.14.14, 2.14.15 Khoá 12

I – TÊN ĐỀ TÀI:

“ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÁC SUẤT ĐỂ TÍNH TOÁN BẾN TƯỜNG CỪ”

II – NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

1 Nhiệmvụ: Dùng phương pháp xác suất để tính toán công trình bến tường

cừ

2 Nội dung:

Chương 1: Mở đầu

Chương 2: Cấu tạo bến tường cừ & Cách xác định áp lực đất lên tường cừ Chương 3: Các phương pháp cơ học để tính toán bến tường cừ 01 tầng neo Chương 4: Tính toán tường cừ thép một tầng neo theo các trạng thái giới hạn

Chương 5: Aùp dụng phương pháp xác xuất để tính toán tường cừ thép 01 tầng neo

Chương 6: Kết luận & Kiến nghị

III – NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: 10/ 02/ 2003

IV – NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 10/09/ 2003

V - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: TS PHAN DŨNG

VI - HỌ VÀ TÊN CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT:

- CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 1: TS NGÔ NHẬT HƯNG

- CÁN BỘ CHẤM NHẬN XÉT 2: TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG Cán bộ hướng dẫn Cán bộ chấm nhận xét 1 Cán bộ chấm nhận xét 2

TS PHAN DŨNG TS NGÔ NHẬT HƯNG TS TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG

Nội dung và đề cương Luận văn thạc sĩ đã được thông qua Hội đồng chuyên ngành TRƯỞNG PHÒNG ĐÀO TẠO SAU ĐẠI HỌC Ngày tháng năm

2003

CHỦ NHIỆM NGÀNH

Xin chân thành cảm ơn Quý Thầy Cô trong Ban giảng huấn khóa Cao học 12 – Ngành Xây dựng công trình biển – Trường Đại học Bách khoa thuộc Trường Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh

Xin chân thành cảm ơn Tiến sỹ PHAN DŨNG là Thầy hướng dẫn chính của Luận văn này, cảm ơn sự giúp đỡ động viên của Tiến sỹ NGÔ NHẬT HƯNG, Tiến sỹ TRƯƠNG NGỌC TƯỜNG, Thạc sỹ BÙI VĂN CHÚNG

Xin cảm ơn Giám đốc Xí nghiệp Tư vấn thiết kế – Kỹ thuật biển (PORTCOAST): TRẦN TẤN PHÚC, cùng các đồng nghiệp Kỹ sư PHẠM DUY ĐÔNG, Kỹ sư BÙI

AN LỘC, Kỹ sư TRƯƠNG TRỌNG QUÝ, Kỹ sư MAI THỊ HỒNG THẢO, Kỹ sư NGUYỄN THỊ KIỀU DIỄM, Kỹ sư LÊ NGỌC TUẤN, Kỹ sư THÁI DUY LỢI và một số bạn hữu đã giúp đỡ Tôi trong thời gian vừa qua

Xin cảm ơn sự động viên quý báu của bạn đời NGUYỄN QUỲNH GIAO

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 2 CẤU TẠO BẾN TƯỜNG CỪ THÉP & CÁCH XÁC ĐỊNH

2.1 CẤU TẠO BẾN TƯỜNG CỪ THÉP MỘT TẦNG NEO 2 2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ÁP LỰC ĐÁT LÊN TƯỜNG MẶT

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰA THEO LÝ THUYẾT COULOMB 6

Nhóm công thức của các kỹ sư Đan Mạch 9 2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN XÂY DỰNG THỰC NGHIỆM

2.5 CÁC PHƯƠPNG PHÁP DỰA THEO XU HƯỚNG ĂNG MẠNH SỨC

2.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰA THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN 12

2.7 PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN TÍNH ĐÀN HỒI CỦA ĐẤT 19

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC ĐỂ TÍNH TOÁN TƯỜNG

3.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TƯỜNG MẶT CỦA CÔNG TRÌNH BẾN TƯỜNG CỪ KHI

XEM ĐẤT NỀN LÀ MÔI TRƯỜNG BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI CỤC BỘ 25

3.1.5 Qui luật phân bố hệ số nền và phạm vi ứng dụng 26

3.2 TÍNH TOÁN TƯỜNG MẶT CỦA CÔNG TRÌNH BẾN TƯỜNG CỪ MỘT

TẦNG NEO THEO PHƯƠNG PHÁP ĐỒ GIẢI BLUM – LOMER 32

3.2.7 Chương trình PROSHEET 44 3.2.8 Ví dụ minh họa số 1- Dùng Prosheet 48 3.2.9 Ví dụ minh họa số 2- Dùng Prosheet 57 3.3 KẾT QUẢ TÍNH TOÁN CỦA PHƯƠNG PHÁP ĐỒ GIẢI & PROSHEET 65 3.4 PHƯƠNG PHÁP PHẦN TỬ HỮU HẠN – CHƯƠNG TRÌNH PLAXIS 66

CHƯƠNG 4 TÍNH TOÁN TƯỜNG CỪ THÉP 01 TẦNG NEO THEO CÁC

4.1 TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH BẾN THEO CÁC TRẠNG THÁI GIỚI HẠN 70 4.2 QUI ĐỊNH CHUNG VỀ TÍNH TOÁN BẾN TƯỜNG CỪ 01 TẦNG NEO 72

4.2.5 Oån định công trình bằng phương pháp mặt trượt cung tròn 78 4.2.6 Oån định của khối đất neo giữ kết cấu bến tường cừ 79 4.3 VÍ DỤ TÍNH TOÁN CÔNG TRÌNH BẾN TƯỜNG CỪ THÉP 01 TẦNG NEO

4.3.3 Kết quả tính toán nội lực theo phương pháp đồ giải 83

4.3.11 Kiểm tra ổn định cung tròn bằng phương pháp mặt trượt cung tròn 88 4.3.12 Kiểm tra ổn định của khối đất neo giữ kết cấu bến tường cừ 89

CHƯƠNG 5 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP XÁC SUẤT ĐỂ TÍNH TOÁN

5.1.1 Định nghĩa độ tin cậy của kết cấu 93

5.1.3 Trạng thái giới hạn và xác suất phá hỏng 94

5.1.5 Các phương pháp xác suất để xác định chỉ số độ tin cậy 97 5.2 ÁP DỤNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ ĐỂ ĐÁNH GIÁ ĐỘ TIN CẬY

01 TẦNG NEO BẰNG PHƯƠNG PHÁP MÔ PHỎNG SỐ 102

5.5 TÍNH TOÁN ĐỘ TIN CẬY CHO TOÀN HỆ (BẾN TƯỜNG CỪ) 154

CHƯƠNG 6 KẾT LUẬN & KIẾN NGHỊ 157

TÀI LIỆU THAM KHẢO 159

Tường cừ là một dạng kết cấu rất phổ biến trong công trình Cảng ở nước ta cũng như trên toàn thế giới Việc xác định áp lực đất tác dụng lên tường cừ được các nhà khoa học đặc biệt quan tâm và hiện nay có nhiều khuynh hướng tính toán khác nhau

Về phương pháp tính toán nội lực và chuyển vị cho công trình cũng rất đa dạng: Phương pháp xem đất là môi trường đàn hồi cục bộ, phương pháp đồ giải Blum, phương pháp phần tử hữu hạn…

Trong luận văn với một bộ số liệu đầu vào tất định dùng phương pháp đồ giải Blum để làm công cụ tính toán nội lực và các trạng thái giới hạn để tính toán thiết kế công trình bến tường cừ cụ thể Ngoài ra cũng dùng phương pháp đồ giải Blum để giải cho một bộ số liệu đầu vào sau đó dùng phương pháp xác suất thống kê để xử lý bộ kết quả vừ a tính được Tương ứng với các trường hợp phá hỏng đơn của từng bộ phận công trình lập được hàm trạng thái và dùng phương pháp mô phỏng số để tính xác suất phá hỏng từng bộ phận công trình và tính cho toàn bộ công trình Đây là một tham số dùng để chọn lựa phương án kết cấu một cách kinh tế và hợp lý mà trước đây chúng ta chưa hề xem xét đến

CHƯƠNG 1 MỞ ĐẦU 1.1 GIỚI THIỆU CHUNG

Tường cừ là một trong những dạng kết cấu cơ bản trong công trình bến, hiện nay dạng kết cấu này đang được áp dụng nhiều trong việc xây dựng các công trình tại Việt Nam cũng như trên thế giới

Trong lãnh vực tính toán thiết kế đã có nhiều tài liệu giới thiệu về các phương pháp cơ học được xem là cơ sở để tính toán thiết kế tường cừ theo trạng thái giới hạn Mục đích của luận văn này là nghiên cứu áp dụng các phương pháp xác suất để tính toán công trình bến tường cừ, qua đó đánh giá được xác suất phá hỏng của công trình và đó cũng là một thông tin quan trọng khi thiết kế cũng như khai thác công trình bến

1.2 MỤC TIÊU CỦA LUẬN VĂN

Dựa trên mô hình tiền định tính toán chuyển vị và nội lực trong tường cừ 01 tầng neo, áp dụng phương pháp mô phỏng số và các phương pháp khác để đánh giá xác suất phá hỏng của công trình bến tường cừ

1.3 PHẠM VI CỦA LUẬN VĂN

1 Đối tượng nghiên cứu công trình bến tường cừ thép một tầng neo

2 Không đi sâu vào nghiên cứu các cách tính áp lực đất lên tường cừ cũng như không đi sâu các phương pháp cơ học để tính chuyển vị và nội lực của công trình

3 Chấp nhận mô hình tính Blum là phương pháp dùng trong nhiều tiêu chuẩn thiết kế công trình bến tường cừ một tầng neo để làm mô hình tiền định trong luận văn này

4 Với các số liệu đầu vào là các biến ngẫu nhiên đã biết, dùng phương pháp xác suất để đánh giá xác suất phá hỏng đơn rồi từ đó tìm xác suất phá hỏng của toàn công trình

CHƯƠNG 2

LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG CỪ

Bến tường cừ là loại kết cấu tường “mềm”, được đóng sâu vào trong đất nhờ sức kháng của đất nền mà tạo nên thế ổn định cho công trình Nguyên tắc tổng quát để bảo đảm thế ổn định của tường cừ, nếu thỏa mãn điều kiện sau đây:

Tổng các lực ngang  H = 0

Aùp lực đất là tải trọng ngang quan trọng nhất, do đó trong chương này sẽ trình bày những điểm cấu tạo chính của bến tường cừ thép và các khuynh hướng tính áp lực đất chủ yếu từ trước đến nay

2.1 CẤU TẠO BẾN TƯỜNG CỪ THÉP MỘT TẦNG NEO

Bến cừ thép đã được xây dựng nhiều ở các nước công nghiệp phát triển và đưa về kết cấu định hình ứng với các chiều sâu chuẩn Kết cấu trên hình 2-1 là một thiết kế chuẩn cho chiều sâu 9.75m Trừ dầm mũ làm bằng bê tông cốt thép đổ tại chỗ, bản neo BTCT lắp ghép, các bộ phận còn lại: tường mặt, thanh neo, dầm ốp đều bằng thép Các thanh neo thép đặt hơi xiên, được liên kết với dầm ốp bằng 2[ No-30 gắn cứng vào cừ tại một điểm cao hơn mực nước thi công Trên mặt bến đặt hệ thống đường ray hai đường tàu hỏa và đường ray cần trục khẩu độ 10.50m Toàn bộ đất đắp sau tường bằng cát hạt thô

Hình 2-1 Cấu tạo bến tường cừ định hình 1 neo bằng thép hình 1- Tường cừ Larsen, 2-Dầm ốp, 3-mở rộng dầm mũ, 4-Thanh neo, 5- Thép tấm, 6-Thanh giữ dầm ốp

Hình 2-2 Mặt cắt ngang cừ thép điển hình

Hiện nay hình dạng cừ thép rất đa dạng, nhưng có thể tóm tắt như sau:

 Cừ phẳng: có momen kháng uốn không lớn, chế tạo dài 8~22m (hình vẽ 2-5), thường sử dụng chủ yếu cho các kết cấu ngăn ô, hoặc hình cánh quạt với chiều cao tự do 2 ~ 3m (không neo) và 4~5m (có neo) loại cừ này có ký hiệu SP-1 hoặc AS Nếu ứng suất cho phép là 1600KG/cm2, có thể chịu được momen uốn 25KNm

Hình 2-5 Cừ phẳng và một công trình sử dụng cừ phẳng trong thực tế

 Cừ hình máng, ký hiệu SP-2 hoặc PU có chiều dài 8~22m, thường dùng cho các kết cấu chống thấm (đê quai, móng đập) Cùng với ứng súât cho phép trên, momen uốn của 1m chiều dài bến tiếp nhận được 45,5KNm

 Cừ chữ Z chế tạo dài 8~25m, ứng dụng chủ yếu cho các công trình bến liền bờ Cừ chữ Z có các ký hiệu SK, SD, AZ, momen uốn khá lớn khoảng 252 ~

503 KNm

 Cừ Larsen có chiều dài 5 ~ 22m với liên kết móc chắc chắn, tạo ra momen kháng lớn Hiện nay thường chế tạo 4 loại cừ Larsen: IV, V, VI, VII, momen uốn có thể đạt đến 800KNm

 Cừ kết hợp, được móc nối từ cừ cơ bản để tăng gấp 2~3 lần momen kháng so với tường bến chỉ cấu tạo từ một loại cừ theo kiểu móc nối thông thường Sáng kiến này đã và đang được các nước Tây Âu, Nhật, Bắc Mỹ khai thác triệt để cho các cảng nước sâu và các công trình biển khác

 Ở các nước Tây Âu có truyền thống chế tạo cừ cở lớn bằng cách ghép thép hình I với cừ lòng máng hoặc cừ Larsen

Hình 2-6 Dạng cừ kết hợp

Bến tường cừ thép hiện nay được sử dụng nhiều trên thế giới vì chúng có những ưu điểm nổi bậc sau:

 Tính đàn dẻo lớn

 Tính công nghiệp lắp ghép cao

 Tuổi thọ công trình nếu được bảo dưỡng tốt thì không thua kém gì bê tông cốt thép

 Xây dựng được cả bến nước sâu và các bến cảng xa đất liền

Tuy nhiên nó lại tồn tại những khuyết điểm sau:

 Thép là vật liệu đắt tiền nhất trong các loại vật liệu xây dựng

 Thép luôn bị ăn mòn trong môi trường nước biển

 Lệ thuộc vào công nghệ chế tạo thép

2.2 CÁC PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH ÁP LỰC ĐẤT LÊN TƯỜNG MẶT CỦA BẾN TƯỜNG CỪ

Từ năm 1906 - 1910 bắt đầu từ một nhóm kỹ sư Đan Mạch, sau đó đến các nhà khoa học Nga và các nước Bắc, Tây Âu lần lượt cho ra mắt các công trình nghiên cứu thực nghiệm về áp lực đất lên tường cừ

Nhìn chung qua các phương pháp tính toán áp lực đất từ trước đến nay ta có thể chia làm những khuynh hướng chính sau:

 Nhóm dựa theo lý thuyết Coulomb: gồm Coulomb, Blum, Danish Rule

 Nhóm dựa trên xu hướng tăng mạnh sức chống cắt của đất ở gần đáy bến: Chebotarev

 Nhóm dựa trên xây dựng thực nghiệm biểu đồ áp lực đất: Goncharov

 Nhóm dựa theo trạng thái giới hạn: Durova, Shikhiev, Gurevich, Khansen, Goriounov

 Nhóm dựa trên một phần tư mặt phẳng đàn hồi của đất: Malikova

Sau đây chúng ta lần lượt điểm qua các phương pháp tính áp lực đất:

2.3 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰA THEO LÝ THUYẾT COULOMB

Phương pháp Coulomb:

Lý thuyết cổ điển tính áp lực đất của Coulomb giả định tường chắn là cứng, đất đắp sau tường là đất cát đồng đều, khi lưng tường dịch chuyển tách xa thể đất hoặc đẩy về phía thể đất, thể đất sau tường sẽ đạt đến trạng thái cân bằng giới hạn, mặt trượt nó thông qua hai mặt phẳng ở chân tường B (hình 2-7) một là mặt phẳng AB men theo lưng tường, mặt nữa là mặt BC hình thành ở trong thể đất Giả định nêm đất trượt ABC là thể cứng, căn cứ vào điều kiện cân bằng của nêm đất ABC, theo bài toán phẳng sẽ giải đựơc áp lực đất tác dụng lên tường chắn đất

Tính áp lực đất chủ động:

Tường chắn đất thể hiện trên hình 2-7, lưng tường nghiêng một góc kẹp  với đường thẳng đứng, bề mặt đất AC tạo thành góc kẹp  so với mặt phẳng nằm ngang

G R

Q

D R N1 N2

B



Hình 2-7 Tính áp lực đất chủ động theo Coulomb (Trường hợp đất rời)

Xem xét trường hợp tường chắn bị tác động của áp lực đất và dịch chuyển ra ngoài tách rời khỏi thể đất đắp, lăng thể sau tường đạt đến trạng thái cân bằng giới hạn và phát sinh

ra hai mặt trượt AB, BC thông qua chân tường B Coi nêm đất trượt ABC được tách độc lập và xét đến điều kiện cân bằng tĩnh của nó, các lực tác động lên nêm đất trượt là:

Trọng lượng G của nêm đất ABC

Phản lực R là hợp lực của ma sát T1 và phản lực hướng vuông góc N1, góc kẹp của nó với pháp tuyến của mặt BC bằng góc ma sát trong  của đất Bởi vì nêm đất ABC tương ứng với thế đất bên phải của mặt trượt BC dịch chuyển theo chiều đi xuống nên chiều của lực ma sát T1 là đi lên, chiều tác dụng của R đã biết, độ lớn chưa biết

Lực tác dụng Q của tường chắn đất vào nêm đất Góc kẹp của nó với phương pháp tuyến ở lưng tường bằng góc ma sát  giữa lưng tường với nêm đất Tương tự bởi vì nêm đất trượt ABC tương ứng với lưng tường trượt theo chiều đi xuống, nên lực ma sát

T2 của lưng tường sinh ra ở mặt AB có chiều đi lên, chiều tác dụng của Q đã biết nhưng độ lớn chưa biết

Hình 2-7 tam giác lực của G, R và Q đã tính đến điều kiện cân bằng tĩnh của nêm đất trượt ABC, từ định luật sin trong tam giác thường, ta có:

)sin(

)]

(sin[     

H

)sin(

.cos

)cos(

)sin(

.cos

)sin(

)cos(

Trong đó: , H, , , ,  đều là hằng số nên Q là một hàm số biến đổi theo góc nghiêng

 của mặt trượt BC Khi  = /2 + , G = 0 thì Q = 0; khi  = , R và Q trùng hợp thì Q =

0 Do đó, khi  biến đổi thì sẽ có một giá trị Qmax tức là áp lực chủ động Ea đang tìm

Để tìm Qmax, ta xét 0



d

dQ (2-3) Biểu thức (2-2) tính đạo hàm theo , giải được trị  thay vào (2-2) sẽ có công thức tính áp lực đất chủ động Coulomb:

Ka H Q

Ea 2

2

1max 

 (2-4)

Với Ka - hệ số áp lực đất chủ động, trị số của nó là:

2 2

2

)cos(

)cos(

)sin(

)sin(

1)cos(

cos

)(cos

Trong đó: ,  trọng lượng và góc ma sát trong của đất đắp sau tường

H - chiều cao tường chắn đất

 -góc kẹp giữa lưng tường với đường thẳng đứng, lưng tường úp xuống là dương, ngược lại là âm

 - góc nghiêng giữa mặt đất đắp với mặt phẳng ngang

 - góc ma sát giữa lưng tường với đất đắp

Nếu mặt đất đắp nằm ngang, lưng tường thẳng đứng và lưng tường nhẵn thì ta sẽ có:  =

0,  = 0,  = 0, do đó công thức (2-5) sẽ bằng:

245(tan)sin1(

Hình 2-8 Tính áp lực đất bị động theo Coulomb

Ví lăng thể đất ABC bị đẩy trồi lên trên nên phương chiều của lực cản và ma sát T2, T1 sẽ ngược với áp lực chủ động Hình tam giác lực cân bằng tĩnh của ABC, từ định luật hình sin ta có:

Q = G

)2

sin(

)sin(



d dQ

Từ đó có thể dẫn ra công thức tính áp lực đất bị động Ep:

Ep = Qmin = H Kp

2

1  2 (2-8) Trong đó Kp là hệsố áp lực bị động

2

2

)cos(

)cos(

)sin(

)sin(

1)cos(

.cos

)(cos

Nếu mặt đất đắp nằm ngang, lưng tường thẳng đứng và lưng tường nhẵn thì ta sẽ có:  =

0,  = 0,  = 0, do đó công thức (2-9) sẽ bằng:

245(tan)sin1

Áp lực chủ động: a (q0i h i)Ka (2-11)

Áp lực bị động: p (q0 i h i)Kp (2-12)

Trong đó:

q : Hoạt tải trên bến

i : Dung trọng lớp đất thứ i

hi: Chiều cao lớp đất thứ i

i: Góc nội ma sát trong lớp đất thứ i

Ka, Kp: Các hệ số áp lực chủ động và bị động của đất

Việc tính toán áp lực đất lên tường cừ nếu không kể đến ma sát giữa cừ và đất theo lý thuyết Coulomb được thể hiện qua công thức sau:

Aùp lực chủ động: a (q0 i h i)Ka - 2.Ci Ka (2-11a)

Aùp lực bị động: p (q0 i h i)Kp- 2.Ci Kp (2-12a)

Nếu kể đến ma sát giữa cừ và đất thì:

Aùp lực chủ động: a (q0 i h i)k.Ka - 2.Ci Ka (2-11b)

Nhóm công thức của các kỹ sư Đan Mạch:

Nhóm này thực hiện trên cơ sở quan sát và cũng như nghiên cứu tường cừ Hình 2-9 là

sơ đồ tường cừ với biểu đồ áp lực đất tác dụng lên nó theo nhóm nghiên cứu Đan Mạch Tường cừ được xem như tựa tự do tại các điểm A và B, điểm B nằm tại trọng tâm của biểu đồ áp lực đất (đi qua trọng tâm của tam giác lực bị động ở chân cừ) Biểu đồ áp lực chủ động được xây dựng theo lý thuyết Coulomb và không tính đến ma sát của nền đất lên tường và áp lực đất chủ động sau tường giảm dần trong đoạn AB, đại lượng áp lực đất q được tính như sau:

q = k

L L

Lp

510

410

L': chiều cao lớp đất từ điểm A trở lên (vị trí thanh neo), kể cả chiều cao lớp đất qui đổi do tải trọng phân bố đều gây ra

L: khoảng cách AB

pm: áp lực tương đương phân bố đều tác dụng lên AB gây ra momen uốn ML, tạo bởi biểu đồ lực hình thang AVV1ZB tính theo Coulomb pm = 8ML / L2

k =

1 5 0)1(sin

01.01

 (2-14) : góc ma sát trong của lớp đất từ A đến B

n: tỷ số giữa momen âm tại cao độ đặt thanh neo với momen dương max của nhịp L

E: modun vật liệu

fa: ứng súât uốn cho phép của vật liệu chế tạo cừ

Giá trị k = 0.8  0.9 (cừ thép) và khi thiết kế chọn 0.9

Hình 2-9 Biểu đồ áp lực đất theo Danish rules

2.4 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN XÂY DỰNG THỰC NGHIỆM BIỂU ĐỒ ÁP LỰC ĐẤT

Goncharov (1963) đã đưa ra một số hiệu chỉnh bổ sung vào phương pháp Coulomb bao gồm việc phân bố áp lực đất trong vùng chủ động không theo định luật tam giác mà theo dạng parabol bậc hai Theo sơ đồ tính toán hình (2-10) thì áp lực chủ đọâng tại vị trí neo và tại đáy tạo ra một biểu đồ biến thiên đều mà giữa nó trong khu vực Parabol thì áp lực của nó giảm đáng kể Giá trị áp lực đất:

1 = hnp..Ka (2-15)

Trong đó: hnp- Chiều cao qui đổi đất bao gồm cả trọng lượng của các lớp nằm trên và

tải trọng phân bố đều bên trên

- Dung trọng của đất

Ka- Hệ số áp lực chủ động của đất

Công thức chung chiều cao qui đổi đối với lớp đất thứ j:







1 1

q h

h

q- Tải trọng phân bố đều trên mặt

Cường độ áp lực đất chủ động tác dụng lên tường cừ từ liên kết neo đến đáy nạo vét được tính toán như sau:

1 = 2 (2-17)

3 = (0.3 0.4) c (2-18) Cường độ áp lực chủ động tương ứng tính theo Coulomb

Hình 2-10: Biểu đồ áp lực đất lên cừ của Goncharov

Goncharov đã chứng minh các đề xuất của mình về biểu đồ có hình dạng thay đổi áp lực đất chủ động bằng các kết quả thí nghiệm Tuy nhiên việc so sánh các kết quả tính toán áp lực chủ động theo phương pháp khác cho thấy rằng biểu đồ parabol cho ra giá trị thấp hơn

Từ đó nhận xét rằng Tác giả thay áp lực đất dạng tam giác bằng dạng Parabol nhưng khi xác định cường độ đoạn từ thanh neo đến cao độ đất nạo vét vẫn sử dụng lý thuyết Coulomb, thực chất tự nó phá vỡ tính nhất quán của lập luận mà tác giả đưa ra

2.5 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰA THEO XU HƯỚNG TĂNG MẠNH SỨC CHỐNG CẮT ĐẤT Ở GẦN ĐÁY BẾN

Năm 1943-1949 Chebotaev đã nghiên cứu trong phòng thí nghiệm các mô hình tường cừ, theo đó đưa ra cách tính toán các tường cừ cho nền cát Tác giả cho rằng sự suy giảm áp lực chủ động lên tường cừ là do có lực ma sát giữa đất nền và tường cừ và làm tăng áp lực đất bị động của đất trước tường cừ Từ đó tác giả cho rằng tường cừ tự do tương tự như dầm consol một đầu ngàm trong cát với chiều sâu bằng 0.43h (h là chiều cao từ đỉnh tường đến đáy đất đào) Công thức tính toán áp lực đất như sau:

h

ha h

4

1

1 3

1

2 1

h1- Chiều cao của cột đất tại điểm tính áp lực đất lên tường cừ

1- Hệ số ma sát giữa đất và tường cừ (theo Tác giả thì 1 = 0.9)

ha- Chiều cao tường cừ từ đỉnh đến điểm neo

h- chiều cao từ đỉnh tường cừ đến đáy đào

2- Hệ số ảnh hưởng lực mao dẫn và áp lực bị động (2 = 3.5)

q- Tải trọng phân bố đều sau tường Lực căng thanh neo R'p lớn hơn nhiều so với Rp tính toán, được thể hiện qua công thức:

1 3

/

.1(





h

h R

Hình 2-11 Biểu đồ áp lực đất lên tường cừ của Chebotaev

2.6 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰA THEO TRẠNG THÁI GIỚI HẠN

Phương pháp Durova (1963)

Với mục đích nghiên cứu xa hơn về tường cừ có neo vào năm 1957 dưới sự lãnh đạo của Durova nhiều thí nghiệm trong phòng được thực hiện, kết quả của nó tạo cơ sở cho phương pháp tính toán áp lực đất do Durova đề xuất

Durova - là người đi tiên phong vào phương pháp tính áp lực đất dựa theo đặc trưng biến dạng cừ, đã tiến hành hàng loạt các thí nghiệm đo đạc cường độ áp lực đất cho hai trường hợp:

 Cừ biến dạng cong với nhiều mức độ khác nhau

 Cừ chịu tải trọng tập trung và lực phân bố cục bộ đặt ở các vị trí khác nhau

Durova nhận thấy cừ một neo làm việc như một dầm có hai gối và biến dạng dầm là đường cong, tác giả so sánh hai trạng thái làm việc: cừ uốn cong (hình 2-12a) cừ chuyển

vị thẳng (hình 2-12b) và đề xuất cách xây dựng biểu đồ áp lực đất (hình 2-12c) như sau: Cường độ áp lực chủ động của đất tại một điểm có chiều cao y có thể xác định qua cường độ áp lực tính theo Coulomb:

y = y' + y (2-21)

Trong đó: y' : Cường độ áp lực đất cũng tại chiều cao y tính theo Coulomb

y : Giátrị gia tăng của cường độ áp lực đất thực so với tính theo Coulomb, có dấu (+) nếu y< yo và được tính theo công thức y = k y (k là hệ số tỷ lệ giữa áp lực đất tính theo Coulomb với chuyển vị tuyến tính giả định by)

k = y' / by (2-22)

by = (h-y)

h b

 (2-23) y'= .y.Ka (Ka hệ số áp lực chủ động) (2-24)

Thay các biểu thức ta có: k =

y

b y h

h Ka y



(

Hình 2-12 Sơ đồ tính áp lực đất của cừ có neo theo PP Durova

a Biến dạng cong b Chuyển vị thẳng giả định và áp lực đất tính theo Coulomb

c Biểu đồ áp lực đất tính theo Durova

Tại chiều cao yo ta có: k =

y

y h

h Ka y



(

0

o

I E

h q f

384

max (2-28) Ec.Ic - độ cứng của cừ

qo là tải trọng phân bố đều được tính đổi của áp lực đất trên đoạn AB ta có:

max

3

4.2

f h

b y  

Ta sẽ tính được y - độ lệch giữa biến dạng cong thực với chuyển vị thẳng giả định, ta sẽ xây dựng được biểu đồ áp lực đất theo đặc trưng biến dạng

Phương pháp Gurevich (1969)

Gurevich xây dựng phương pháp tính áp lực đất theo trạng thái giới hạn

Bằng đúc kết các kết quả thí nghiệm, Gurevich đã rút ra những nhận xét sau:

 Tổng áp lực đất tính theo phương pháp trạng thái giới hạn gần bằng tổng áp lực đất tính theo Coulomb

 Khi tường uốn cong ở giữa cừ xuất hiện một khoảng không gian trống, hay còn gọi là cung hiệu nghiệm Nếu tường tiếp tục uốn cong thì cường độ áp lực đất tại bụng cừ đạt tới giá trị bé nhất (giảm khoảng 40% so với tính theo Coulomb)

 Biểu đồ áp lực thực phải là đường liên tục, không phải là đường gãy khúc Đoạn đầu cừ chung quanh điểm neo áp lực tăng hơn so với tính theo Coulomb

 Nếu điểm neo chuyển dịch ra phía trước khoảng (0.001  0.002)H thì áp lực đất giảm dần tới giá trị tính theo Coulomb Đoạn cừ chôn sâu trong đất hầu như không có chuyển vị, nếu có thì cũng rất nhỏ, nên áp lực đất thay đổi không đáng kể so với tính theo Coulomb

 Mức độ ngàm chặt của cừ trong đất phụ thuộc vào biến dạng, chỉ tiêu cơ lý của đất, độ cứng và chiều sâu chôn cừ

 Momen giữa nhịp giảm so với tính theo Coulomb, còn lực neo tăng lên

Từ những nhận xét trên, Gurevich đã xây dựng phương pháp tính phân phối lại, sau cải biên thành phương pháp phân phối lại đơn giản hóa

Trong phương pháp này sẽ tính toán áp lực đất lên từng vị trí của tường cừ

Hình 2-13 Biểu đồ áp lực đất theo Gurevich (1- khi tính cừ thép: 2- khi tính cừ BTCT)

Đoạn AB = hc = 0.2H, nếu nhỏ hơn 0.2H thì lấy bằng 0.2H

Khoảng cách BC = CD = hs

hs =

2

15

]'

).(2'.[5.02

)).(tan

2 2

u u

hs

y q hc y

Ka u q

y

 (2-33) Ka- Hệ số áp lực chủ động tính với  = 0 và ' = 0.0175|| (2-34)

Từ công thức (2-32) ứng suất tại điểm B (y=0) sẽ bằng:

2

)(tan2u Ka

2

]'

).(2'

.[5.02

)).(tan

2 2

u u

hs

hs q hc hs

Ka u q

Đối với tường cừ mềm (ví dụ cừ thép) thì kết quả tính toán các công thức (2-32); (2-35); (2-36) phải được hiệu chỉnh hệ số K theo bảng sau:

Bảng (2-1) Hệ số giảm áp lực K

Giá trị biến dạng tương đối lớn nhất của tường cừ tính theo Durova (1963)

' = 2.M.hs / 5.E.I (2-37)

Với: M- momen uốn của tường cừ

E- modun đàn hồi của vật liệu tường cừ

I- momen quán tính của tường cừ

Gía trị momen uốn của tường cừ được tính theo biểu thức: M = 4..qavr.hs2 (2-38)

Với:

- hệ số phụ thuộc vào tỷ số: hc/(2.hs+hc) và giá trị này cho trong bảng (2-2)

qavr - Áplực chủ động trung bình giữa điểm A và D; qavr = .(2.hs + hc) với là diện tích biểu đố áp lực đất chủ động tính theo phương pháp cổ điển

Bảng 2-2 Hệ số 

Biểu đồ áp lực đất cho tường cừ mềm được thể hiện trong hình vẽ (2-13)

Áp lực bị động được tính theo phương pháp cổ điển với góc ma sát giữa đất với tường cừ là  = , nhưng không vượt quá 30o Sau khi xác định được biểu đồ áp lực đất dùng phương pháp đồ giải để tìm được M, Ra, độ biến dạng tường cừ, chiều sâu ngập đất của tường cừ

Phương pháp Khansen (1953)

Khansen đã bỏ ra nhiều năm nghiên cứu về công trình tường cừ, trong số đó có tường cừ mềm một neo Các nghiên cứu thực nghiệm cũng như lý thuyết của tác giả đã tạo ra được sự quan tâm đáng kể

Khansen là một người ủng hộ lý thuyết trạng thái giới hạn, đã đề ra phương pháp tính tường cừ mềm có neo mà trong đó tác giả ta xem xét trạng thái của đất đắp và trạng thái giới hạn của chính tường bao gồm cả việc hình thành các khớp dẻo trong nó Khansen đã chú ý đặc biệt đến tính tương thích động lực học về biến dạng của đất và tường

Sau khi xem xét sự chuyển vị của đất đắp, Khansen đã cho thấy sự tồn tại sự gãy khúc trong nó và sự gían đoạn biến dạng trong toàn bộ phần đất và sự gãy khúc chỉ theo đường thẳng Tác giả nhận xét rằng lý thuyết Coulomb và cũng như các lý thuyết dẻo hiện đại xem xét các trường hợp phá vỡ bên trong toàn bộ vùng đất tương ứng với vị trí khi mà tâm quay của công trình chắn đất thấp hơn đáy của nó

Theo Khansen, ở một chiều sâu cắm vào đất tương ứng của tường cừ và chiều cao đắp đất sau tường có thể có một hai khớp dẻo, sơ đồ hình thành nó được thể hiện trong hình 2-14

R

F1 S

E1 M2

Qa F1

A

Hình 2-14 Áp lực đất theo Khansen

Trong hình 2-14b thể hiện biểu đồ áp lực đất sau tường cừ có neo trong trường hợp có hai khớp dẻo Trong hình này thì:

F1- Lực ma sát của đất lên tường cừ

Qa,Qn- Áp lực đất chủ động và bị động tương đương của đất lên tường

M- Momen uốn

N- Phản lực của đất do trọng lượng của tường

Việc xác định vị trí của khớp dẻo ngay tức khắc rất khó; chính vì thế đầu tiên nó được chọn gần đúng sau đó thử dần

Để kiểm tra sự chính xác của vị trí khớp dẻo đã chọn ở khoảng cách h đối với một độ sâu chôn cừ xác định điều kiện bằng 0 của các lực cắt ngang tại khớp dẻo cũng như cân bằng momen của tất cả các lực tác dụng lên tường.phía trên và phía dưới khớp dẻo được áp dụng Nếu các điều kiện này không thỏa mãn thì tiến hành tính toán lại tường; khi tường có chiều dài cắm sâu vào lòng đất lớn có hai khớp dẻo thì tính toán bằng phương pháp giải tích

Việc tính toán khớp dẻo trong phương pháp tính tường cừ có neo (nhằm mục đích sử dụng dự trữ khả năng chịu tải của công trình) có giá trị tích cực, cùng với lý luận lý thuyết của tác giả, chúng ta có thể đưa ra các ghi nhận sau:

 Vị trí của khớp dẻo không liên quan đến vị trí nơi mà nó xảy ra hiện tượng nhảy bậc trong biểu đồ áp lực đất

 Không nên quan niệm rằng phần ở trên của tường áp lực đất sẽ bằng với áp lực đất chủ động có tính đến lực ma sát của đất lên tường

 Khi xây dựng biểu đồ tính toán của áp lực đất lên tường, quan niệm rằng vị trí của áp lực đất phân bố lại tương đương với áp lực đất trong trường hợp biểu đồ tuyến tính thẳng ban đầu., tuy nhiên điều kiện xác định giá trị h1 vẫn chưa rõ ràng

Tóm lại với ý tưởng của Khansen đối với bài toán tạo thành khớp dẻo khi tính toán tường cừ mềm có neo là tiến bộ, tuy nhiên những lập luận lý thuyết của phương pháp Khansen cần phải được nghiên cứu thêm và được kiểm tra qua thực tế

Phương pháp Goriounov (1958)

Về cơ bản các bài toán thực tế của tường cừ có neo, Goriounov đưa ra phương pháp trạng thái giới hạn - giống như trong tiêu chuẩn xây dựng Liên xô đề xuất:

 Trạng thái giới hạn thứ nhất theo khả năng chịu tải (cường độ) và khả năng ổn định của các bộ phận của công trình dưới tác dụng của tải trọng tính toán có tính đến hệ số đồng nhất của vật liệu

 Trạng thái giới hạn thứ hai theo biến dạng

 Trạng thái giới hạn thứ ba - đối với tường bê tông cốt thép tạo ra khe nứt còn đối với cừ kim loại thì mất ổn định cục bộ

Để giải bài toán tường cừ mềm theo trạng thái giới hạn thì ta phải áp dụng hệ thống động lực học mà nó được hình thành do kết quả hình thành các khớp dẻo ở trong tường, xem hình 2-15

Hình 2-15 Biểu đồ áp lực đất theo Goriounov

Xét đến góc xoay trong khớp dẻo phần lớn là xảy ra góc xoay dọc theo chiều dài của tường và có sơ đồ biến dạng chung của tường được xem xét không tính đến độ mềm của nó Mặc dù điều này đã làm đơn giản hóa bài toán bởi vì tường cừ là một hệ thống có ba đoạn AB, BC', C'D mà mỗi đọan trong đó (ngoại trừ đoạn C'D xét thấy có chuyển vị rất nhỏ) xoay quanh một trục tương ứng

Dựa vào cơ sở trên, tác giả đã đưa ra phương pháp xác định áp lực đất như sau:

Ở phần trên của tường, áp lực đất tác dụng lên tường là áp lực bị động, còn đoạn giữa là chủ động Nhưng vì trên đoạn này, AB có chuyển vị tự do nên giá trị áp lực đất trên đoạn giữa giảm theo một giá trị bằng với phần có trong phần gạch chéo Trên đoạn CD là đọan dưới đáy giá trị áp lực chủ động có thể kể đến mà không tính đến việc tạo ra sự chuyển vị tự do

Sau khi xây dựng biểu đồ áp lực đất thì việc tính toán tiếp theo được tiến hành theo phương pháp Blum-Lomer Điều kiện cân bằng momen dương và âm của bài toán trong trường hợp này có ý nghĩa vật lý là việc cân bằng momen xảy ra ở trạng thái giới hạn

Bài toán cừ thép theo trạng thái giới hạn thứ nhất, theo tác giả đề xuất có sự tiến hành phân bố lại áp lực đất chủ động (theo sơ đồ hình 2-15) sau khi đưa vào điều kiện khớp dẻo dưới vị trí neo một đoạn , với  = (0.1 ~ 0.3)h h là chiều cao tường cừ từ đỉnh tường đến cao độ đất nạo vét Đồ thị áp lực đất chủ động trong thái giới hạn thứ nhất được tính theo lý thuyết Coulomb, việc xác định giá trị theo biểu thức:

245tan(

2)(

'(   0 

c Ka p

Trong đó: q tải trọng phân bố đều, Ka hệ số áp lực chủ động,

Ưu điểm của phương pháp trạng thái giới hạn so với phương pháp khác ở chỗ là nó cho phép dự trữ khả năng chịu tải và độ bền công trình

Phương pháp Shikhiev (1959)

Shikhiev đề xuất lý thuyết động lực học áp lực đất lên tường mềm có neo, tương tự như Durova, Shikhiev thử lô cốt đất bằng các thanh gỗ bao quanh Sau khi xem xét tường cừ có neo theo sơ đồ dầm có gối khớp, bị uốn dưới tác dụng của đất đắp

Hình 2-16 Biểu đồ áp lực đất theo Shikhiev (1); theo Coulomb (2)

Shikhiev cũng như Ode chia lớp đất sau tường ra thành các vùng với các trạng thái ứng suất khác nhau Kết quả thực nghiệm biểu đồ phân bố áp lực đất theo chiều cao của tường theo Shikhiev thể hiện trên hình 2-16

Tác giả đề nghị xác định hệ số áp lực đất bằng cách giải bài toán phối hợp gồm một loạt các hệ phương trình vi phân, sau đó bằng cách giải theo phương pháp đồ thị, giải tích và bằng phương pháp thử dần để xác định được tọa độ biểu đồ áp lực đất Hiện nay phương pháp này không được sử dụng rộng rãi

2.7 CÁC PHƯƠNG PHÁP DỰA TRÊN TÍNH ĐÀN HỒI CỦA ĐẤT

Phương pháp Malikova (1962)

Dựa trên phương pháp lý thuyết đàn hồi, Milikova đề xuất một phương pháp tính toán tường cừ như các dãi chịu tải lên một phần tư của mặt phẳng đàn hồi, được áp dụng trên

cơ sở của phương pháp tính dầm trên nền đàn hồi Giemoskhin

Thực chất của bài toán này là chổ bài toán dầm trên nền đàn hồi được chuyển về bài tóan dầm trên gối đàn hồi mà số lượng gối tuỳ thuộc vào mức độ chính xác mong muốn của tính toán Ví dụ trong bài toán tường cừ có chiều cao tường 20m thì số gối đàn hồi cần khoảng 15 ~ 20 gối

Hình 2-17 Sơ đồ tính áp lực của Malikova

Việc xác định chuyển vị và độ lớn của áp lực đất lên công trình theo Malikova rất phức tạp Biểu đồ áp lực gần giống như Coulomb nhưng có sự khác biệt so với kết quả tính theo Coulomb khoảng + (20 ~ 30%)

2.8 KẾT LUẬN

1 Công trình bến tường cừ thép một tầng neo đã được xây dựng nhiều trên thế giới, kết cấu có nhiều bộ phận liên kết với nhau khá phức tạp, một bộ phận hư hỏng có thể làm sụp đổ cho toàn bộ công trình Ở Việt Nam những công trình này đã được xây dựng ở Hải Phòng, Vũng Tàu , Thành phố Hồ Chí Minh…

2 Là công trình dạng tường mềm, nên áp lực đất chủ động là tải trọng ngang quan trọng nhất, các phương pháp tính toán áp lực đất từ trước đến nay ta có thể chia làm những khuynh hướng chính như trên đã nêu Do sự tương tác giữa tường mặt với đất (đất đắp, đất nền) cường độ cũng như qui luật phân bố áp lực đất rất khác nhau nên mỗi phương pháp nghiên cứu đều đưa ra những kết quả khác nhau

3 Hiện nay việc tính toán áp lực đất tác dụng lên tường cừ theo Tiêu chuẩn thiết kế Việt Nam dựa trên lý thuyết Coulomb trong đó có áp dụng hệ số hiệu chỉnh nhất định Ngoài ra một số tiêu chuẩn một số nước vẫn sử dụng lý thuyết Coulomb vào trong việc tính toán áp lực đất lên tường cừ Do vậy trong chương

3 của luận văn sẽ theo Lý thuyết Coulomb tính toán áp lực đất lên tường cừ

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CƠ HỌC ĐỂ TÍNH TOÁN

TƯỜNG CỪ THÉP MỘT TẦNG NEO

Trong chương 2 chúng ta nhận thấy rằng việc tính toán áp lực đất lên tường cừ bằng cách

sử dụng phương pháp Coulomb đã được qui trình thiết kế 22 TCN 207 – 92 Tiêu chuẩn

thiết kế Công trình bến cảng biển cho phép áp dụng để tính áp lực đất lên tường cừ

Trong chương này sẽ nghiên cứu một số phương pháp cơ học tính toán nội lực cho công

trình bến tường cừ thép một tầng neo và thông qua đó ta chọn dùng một phương pháp

tiền định để thiết kế công trình bến tường cừ

3.1 PHƯƠNG PHÁP TÍNH TƯỜNG MẶT CỦA CÔNG TRÌNH BẾN TƯỜNG CỪ

KHI XEM ĐẤT NỀN LÀ MÔI TRƯỜNG BIẾN DẠNG ĐÀN HỒI CỤC BỘ

3.1.1 Sơ đồ kết cấu:

Xem xét một sơ đồ kết cấu bến tường cừ thép một tầng neo, bao gồm các bộ phận

sau: Tường mặt dùng cừ thép, các bộ phận khác gồm thanh neo, bản neo, đai liên kết,

Tường neo Cọc gỗ đỡ thanh neo

Cừ thép

Mặt bến Dầm mũ

Mực nước

Đáy bến

1:2

Hình 3-1 Mặt cắt ngang cấu tạo bến tường cừ thép 1 neo

3.1.2 Các giả thiết:

 Tính toán tường cừ theo sơ đồ phẳng

 Đất nền là môi trường biến dạng đàn hồi cục bộ p = k.y

 Tại vị trí neo được đặt một gối cứng và giả thiết là gối này không chuyển dịch

ngang trong suốt quá trình chịu lực của kết cấu

 Kết quả sự tương tác giữ tường mặt và đất đắp là áp lực chủ động của đất có thể xác định theo bất kỳ một phương pháp nào

 Sự làm việc của phần tường mặt trong đất nền có thể chuyển về sơ đồ dầm liên tục nhiều nhịp trên các gối đàn hồi từ kết quả của giả thiết trên

 Trong phạm vi một phần tử dầm, kích thước tiết diện ngang, độ cứng chống uốn, độ cứng chống nén, giá trị lực dọc được xem là không đổi

3.1.3 Sơ đồ tính:

Căn cứ vào biểu đố áp lực tổng cộng (áp lực đất chủ động + áp lực đất bị động) phần chủ động được coi như tải trọng phân bố đều tác dụng lên dầm trên gối đàn hồi trong đất

Hình 3-2 Sơ đồ tính toán tường cừ một neo (a); sơ đồ tính theo hệ số nền (b)

3.1.4 Phương pháp giải bài toán:

Phương pháp giải bài toán là phương pháp phần tử hữu hạn - chương trình SAP 2000

3.1.5 Qui luật phân bố hệ số nền và phạm vi ứng dụng:

Ta có phản lực nền p = K.y, khi ở độ sâu z thì Pz (T/m2) và yz (m)

Pz = K.yz Khi yz =1 thì Pz = K Vậy hệ số nền là phản lực tại vị trí đó khi chuyển vị là

01 đơn vị K (T/m3)

GIÁ TRỊ VÀ SỰ PHÂN BỐ HỆ SỐ NỀN THEO BOWLES

(Phân bố theo qui luật hình thang)

K = 40 (C.NC + 0.5 .B.N ) + 40.( .Nq.Z)

Trong đó: C - Lực dính của đất (KN/m2)

 - Dung trọng của đất (KN/m3)

B - Bề rộng tính toán (m)

d -Đường kính hay cạnh cọc (m)

Z - độ sâu của đất (m)

1.00 1.60 2.50 3.90 6.40 10.70 11.80 14.70 18.40 23.20 29.40 37.70 48.90 64.10 134.70 567.40

0.00 0.10 0.40 1.20 2.90 6.80 7.90 10.90 15.10 20.80 28.70 40.00 56.10 79.40 200.50 871.70

3.1.6 Trình tự tính:

 Chuyển sơ đồ kết cấu về sơ đồ tính với bề rộng cừ 1m

 Xác định trục tính toán của cừ và trục thanh neo

 Xác định các đặc trưng hính học của cừ E, J, W,

 Xác định áp lực đất lên tường cừ và xây dựng biểu đồ tổng

 Xem phần áp lực chủ động là tải trọng phân bố tác động lên tường cừ

 Tính hệ số nền theo Bowles

 Chia cừ thanh những phần tử đặt tên nút và tên phần tử

 Tính độ cứng từng gối tựa lò xo theo hệ số nền

 Gán gối tựa liên kết tại mũi cừ, bản neo

 Nhập số liệu vào chương trình Sap 2000

 Cho chương trình tính và xuất kết quả

3.1.7 Ví dụ minh họa:

Số liệu xuất phát:

a Mực nước tính toán: +0.00m

b Cao độ tuyến bến: +4.50m

c Cao độ đáy bến: -3.00m

d Tải trọng khai thác tiêu chuẩn phân bố đều q= 4T/m2

e Các chỉ tiêu cơ lý của lớp đất:

 Lớp 1: (từ cao trình +4.50m  +2.00m): Cát đắp có dung trọng tự nhiên tn=18 KN/m3, góc nội ma sát =30o

 Lớp 2: (từ cao trình +2.00m  0.00m): Cát đắp có dung trọng tự nhiên tn=20 KN/m3, góc nội ma sát =30o

 Lớp 3: (từ cao trình 0.00m  -8.40m): cát có dung trọng đẩy nổi đn=10 KN/m3, góc nội ma sát  = 28o

f Tường mặt dùng cừ thép AZ18-5 có các chỉ tiêu sau: J = 331.69.10-6 m4/m,

W = 1750 cm3/m, A=145.2 cm2/m, cường độ thép Ry=270 N/mm2

g Thanh neo thép tròn  = 70mm (A=3.2x10-4m2), cao độ gắn thanh neo là

+3.20m

h Tường neo dùng cừ thép

Hình 3 -3 Sơ đồ tính

Tính toán áp lực đất:

Áp lực chủ động:  = (q + .h).Ka

Hình 3-4 Biểu đồ áp lực đất tổng cộng

Ta có bảng kết quả sau:

Tính hệ số nền theo dạng hình thang (BOWLES)

Ta có công thức tính hệ số nền theo độ sâu đất (tại đáy bến Z= -3.00m tới chân tường cừ

ở độ sâu ngập đất là Z = -8.64m - cừ dài 16m ngập trong đất 8m)

Hệ số nền ứng với từng độ sâu H, ứng với  = 28o ta tra bảng ta có các hệ số không thứ nguyên như sau: NC = 25.79, Nq = 14.70, N = 10.9, bề rộng cừ tính cho 1m (B=1)

C = 0 ;  = 10 KN/m3

K = 40.(C NC + 0.5..B N) + 40.(  Nq.H)

H = 0 K 0 = 40.(0.5.10.1.N  ) K 0 = 2180

Hình 3-5 Biểu đồ hệ số nền

6.0.2

2

10

K Ko

5 6 6

K K K sp







Kết quả tính:

(KN/m2)

x 104 0.24 1.057 1.512 2.1 2.688 2.313 0.763

(Ghi chú: Gối số 1 đến 7 tương ứng với sp6 đến sp0)

Dùng chương trình SAP 2000 tính toán ta được kết quả như sau:

Momen Max = 22.64 KNm-m Lực căng dây neo = 14.31 KN/m

KẾT QUẢ TÍNH TOÁN

Hình 3-6 Biểu đồ momen của tường mặt - tính theo hệ số nền thực hiện bằng chương

trình Sap 2000