Giáo trình Công trình bến cảng - Chương 1: Những khái niệm chung

Chương 1. Những khái niệm chung. 1-1 Chương 1. NHỮNG KHÁI NIỆM CHUNG. 1.1. Khái niệm về cảng, bến tàu và công trình bến. 1.1.1.Cảng: Cảng là tập hợp các công trình và thiết bị cho phép tàu đỗ yên tĩnh, xếp dỡ hàng hóa, đưa hành khách xuống tàu và ngược lại nhanh chóng, tiện lợi tập trung, bảo quản, bao gói, và phân loại hàng hóa phục vụ những nhu cầu của tàu đỗ trong cảng. Vì vậy các Cảng trở thành những đầu mối giao thông quan trọng. Tính chất xung yếu và phức tạp của đầu mối giao thông này phụ thuộc vào vị trí địa lý, vai trò và nhiệm vụ của Cảng ví dụ cảng biển nằm trên các cửa sông (Hình 1.1) có thể là đầu mối phức tạp nhất, bao gồm vận tải đường biển, vận tải đường sông, vận tải đường sắt, vận tải đường ô tô và vận tải đường ống còn các cảng sông đơn giản nhất cũng là đầu mối không kém phức tạp của vận tải đường sông và vận tải đường ô tô. Tổ chức và điều hòa mọi hoạt động của đầu mối giao thông giữa vận tải đường thủy với các hình thức vận tải trên bộ để vận chuyển hàng hóa từ dưới nước lên bờ và ngược lại là chức năng chủ yếu của các cảng hiện đại. 1. VËn t¶i biÓn 2. VËn t¶i ®−êng s¾t 3. VËn t¶i ®−êng « t« 4. VËn t¶i ®−êng s«ng 5. VËn t¶i ®−êng èng 1 1 2 3 4 5 2 3 Hình 1_ 1 Sơ đồ cảng là đầu mối giao thông. 1.1.2.Bến tàu. Chức năng chủ yếu của cảng là vận chuyển hàng hóa từ vận tải thủy lên bờ hay ngược lại. Quá trình này được mô tả trên hình 1.2. Hàng hóa có thể chuyển theo hai phương án - Phương án trực tiếp: Từ tàu thủy lên tàu hỏa (2) và ô tô (4) hoặc lên tàu sông (1). - Phương án gián tiếp: Từ tàu thủy lên bãi (3) và kho (5); phân loại, xếp đống (6); chuyển tiếp lên tàu hỏa (7) và ô tô (8). Hàng hóa trên bờ đưa xuống tàu theo chiều ngược lại. Chương 1. Những khái niệm chung. 1-2 1 3 4 5 6 7 82 Hình 1_ 2 Sơ đồ bốc xếp hàng qua bến. Toàn bộ các quá trình nói trên đều được thực hiện nhờ các dây chuyền bốc xếp hay là tuyến xếp dỡ bố trí trên bến. Bến không chỉ là phần công trình bến để cho tàu đỗ mà còn bao gồm các thiết bị xếp dỡ, kho bãi, hệ thống các công trình và trang bị kỹ thuật khác bảo đảm cho bến tàu thực hiện được chức năng xếp dỡ, vận chuyển hàng hóa. Vậy bến là tập hợp công trình và thiết bị kỹ thuật của cảng để tiến hành công tãc xếp dỡ hàng hóa cho tàu. 1.1.3.Công trình bến Là bộ phận quan trọng nhất trong số các công trình xây dựng của bến. Nó là gianh giới giữa khu đất và khu nước của cảng, tạo điều kiện tốt nhất cho tàu tiếp xúc với bờ, bảo đảm cho tàu neo đậu và bốc xếp hàng hóa đồng thời bảo đảm cho các thiết bị xếp dỡ và phương tiện vận chuyển trên bến làm việc an toàn, thuận tiện. 1.2.Phân loại công trình bến. Các công trình bến có thể được phân loại dựa vào các đặc điểm như: Hình dáng mặt cắt, vị trí đối với bờ, vật liệu xây dựng, kiểu kết cấu, thời hạn phục vụ, công dụng, vốn đầu tư. 1.2.1.Phân loại theo mặt cắt a) b) c) d) e) Hình 1_ 3 Hình dạng mặt cắt ngang của công trình bến. a _ Thẳng đứng; b _ mái nghiêng; c _ Nửa nghiêng; d _ Nửa đứng; e _ Hai tầng (bậc thang) Chương 1. Những khái niệm chung. 1-3 Trên hình 1.3 là những dạng mặt cắt ngang thường gặp của công trình bến. Kiểu thẳng đứng tuy khối lượng xây lắp lớn nhưng tiện lợi khi sử dụng (đặc biệt là các bến có độ sâu lớn) nên được dùng rộng rãi nhất. Công trình bến mái nghiêng là loại đơn giản và rẻ tiền nhưng không thuận tiện cho khai thác. Kiểu công trình bến này thường dùng trong các bến cảng sông hoặc kết hợp với các phao nổi hay các trụ độc lập. Các kiểu hỗn hợp nửa nghiêng, nửa đứng hay hai tầng được sử dụng trong trường hợp nơi xây dựng có mực nước thấp hay mực nước cao kéo dài trong năm hoặc theo mùa. 1.2.2. Phân loại theo vị trí công trình đối với bờ Tùy thuộc vào vị trí của công trình bến đối với bờ, có thể chia thành bến liền bờ, bến song song với bờ, bến nhô và bến vũng. Điều này đã được nêu trong phần quy hoạch cảng ở đây chỉ trình bày mang tính chất tóm lược. - Bến liền bờ (hình 1.4a) là công trình bến tiếp liền liên tục với bờ suốt cả tuyến bến, do đó tạo điều kiện thuận tiện cho việc xếp dỡ hàng giữa tàu với các phương tiện vận tải trên bờ cũng như với kho bãi. Bến liền bờ là hình thức khá phổ biến trong các cảng biển cũng như cảng sông. - Bến song song với bờ (hình 1.4b, 1.4c) gồm có đường dẫn vài chục mét, có khi hàng kilômet và cầu chính được đặt nơi có đủ độ sâu tự nhiên. Số lượng đường dẫn có thể là một, hai hay ba bố trí thẳng góc hay xiên một góc nào đó với bờ. Công trình bến song song với bờ thường dùng cho các bến chuyên dụng hay bến có lượng hàng nhỏ. a) b) c) 1 2 Hình 1_ 4 Phân loại công trình bến theo vị trí của nó đối với bờ. a _Bến liền bờ; b _Bến song song với bờ; c _ Cắt ngang bến song song với bờ: 1 _ Cầu chính; 2 _ Cầu dẫn. 1.2.3- Phân loại theo vật liệu xây dựng Vật liệu xây dựng có thể dùng để làm công trình bến là gỗ, thép, bê tông, bê tông cốt thép và vật liệu hỗn hợp. Vật liệu gỗ chỉ được sử dụng nơi có nhiều gỗ để làm các công trình bến tạm hoặc cho phân công trình luôn ngập trong nước. Phổ biến nhất là các công trình bến bằng bê tông, bê tông cốt thép và bê tông cốt thép ứng suất trước. Để xây dựng các công trình bến có độ sâu lớn, gần đây ở một số nước tiên tiến đã dùng cọc ống thép đường kính từ 1-3mét và cừ thép có độ cứng chống uốn rất lớn. 1.2.4. Phân loại theo quy mô công trình Chương 1. Những khái niệm chung. 1-4 Tùy thuộc quy mô của công trình mà người ta chia thành các cấp: Bảng 1_ 1 Phân cấp công trình bến. Cấp công trình với công trình Công trình Chủ yếu Thứ yếu CẢNG BIỂN. Chiều cao của bến (m) > 25 10 ÷ 25 < 20 CẢNG SÔNG. Lượng hàng hóa tính đổi (triệu tấn/năm) > 3,0 0,15 ÷ 3,0 < 0,15 I II III II III IV - - IV III IV IV 1.2.5. Phân loại theo đặc điểm kết cấu Theo đặc điểm kết cấu và tính toán, các công trình bến được chia thành bốn nhóm chính: bến trọng lực, bến tường cừ, bến móng cọc và nhóm các công trình bến trên móng đặc biệt như giếng chìm, giếng chìm hơi ép... Công trình bến mà tính ổn định chống trượt, lật... do trọng lượng bản thân của nó sinh ra gọi là công trình bến trọng lực tường cừ là loại tường chắn gồm nhiều cây cừ riêng lẻ đóng sát nhau và tính ổn định của nó là nhờ gối neo (nếu có) và phần chân cừ, ngàm trong đất nền. Công trình bến kiểu móng cọc bao gồm bệ cọc đạt trên nền cọc và tính ổn định của nó là do phần cọc ngàm trong đất. Như thế theo đặc điểm làm việc của công trình bến thì tường cừ cũng là một dạng riêng của móng cọc. Phân loại công trình bến chi tiết hơn trình bày trong bảng 1.2. Bảng 1_ 2 Phân loại công trình bến. TT Sơ đồ kết cấu Tên gọi Đặc điểm kết cấu (1) (2) (3) (4) CÔNG TRÌNH BẾN TRỌNG LỰC 1. Bến trọng lực liền khối. Vật liệu bê tông, bê tông ít cốt thép, bê tông đá hộc, đá xây. Chương 1. Những khái niệm chung. 1-5 2. Tường trọng lực khối xếp. Vật liệu bê tông, bê tông ít cốt thép, bê tông đá hộc, đá xây. 3. Bến thùng chìm. Thùng nổi bê tông cốt thép chế tạo từ trên bờ, dùng tàu kéo đưa đến nơi xây dựng. 4. Thùng chìm với phần trên là tường có neo. Thùng chìm được ghép bằng các bản BTCT trên triền. Kết cấu phần trên là tường BTCT dây neo bằng thép tấm. 5. Tường góc neo trong. Bản đứng, bản đáy bằng BTCT lắp ghép, dây neo bằng thép lá. 6. Tường góc neo trong. Bản đứng được neo ra ngoài bản đáy. Chương 1. Những khái niệm chung. 1-6 7. Tường góc có bản chống. Bản đứng, bản đáy bằng BTCT lắp ghép, bộ phận neo là bản chống BTCT. Hình thức đa dạng. 8. Tường cọc ống đường kính lớn. Đường kính cọc ống BTCT từ 4÷6m. 9. Tường cọc ống đường kính lớn có bản giảm tải. Đường kính cọc ống BTCT từ 4÷6m. CÔNG TRÌNH BẾN KIỂU TƯỜNG GÓC. 10. Tường cừ không neo Tường mặt là cừ thép, BTCT kiểu tiết diện chữ nhật, chữ T, tròn hay bản BTCT rộng 3÷4m. 11. Tường cừ một tầng neo vào bản đứng. Như 10, dây neo thép tròn bản neo BTCT phẳng hay có sườn hoặc cắt ra từ cừ thép. 12. Tường cừ một tầng neo, neo vào gối cọc chéo. Dây neo thép tròn, cọc neo BTCT. Chương 1. Những khái niệm chung. 1-7 13. Tường cừ một tầng neo, gối neo là cọc thẳng đứng. Dây neo thép tròn neo BTCT hoặc cừ thép. 14. Tường cừ một tầng neo là bản neo ngang. Bản neo ngang BTCT hay cừ thép liên kết chốt hay ngàm trượt với tường mặt. 15. Tường cừ có nhiều tầng neo. Tầng neo trên cùng như 11 hoặc 12 hoặc 13, các tầng dưới như 14. 16. Tường cừ hai đoạn hai neo. Phần dưới: Tường cừ BTCT một neo có dầm neo là dầm đỡ phía trên. 17. Tường cừ có thiết bị giảm tải. Thiết bị giảm tải rất đa dạng. Chương 1. Những khái niệm chung. 1-8 18. Tường cừ không neo bằng cọc ống. Đường kính cọc ống BTCT từ 1,6÷2,0m. 19. Tường cừ cọc ống có một tầng neo. Như 18, neo như 11. CÔNG TRÌNH BẾN KIỂU MÓNG CỌC 20. Bệ cọc cao với tường cừ trước. Bệ và cọc bằng BTCT, tường cừ BTCT (ít dùng cừ thép hay cừ gỗ). 21. Bệ cọc cao với tường cừ sau. Bệ và cọc bằng BTCT, tường cừ BTCT (ít dùng cừ thép hay cừ gỗ). Chương 1. Những khái niệm chung. 1-9 22. Bệ cọc cao với nhiều tầng dầm ngang. Các dầm bệ và cọc BTCT. 23. Bệ cọc cao mềm một tầng dầm ngang. Các dầm bệ và cọc BTCT. Bệ có thể là bản, bản có dầm. 24. Bệ cọc cao mềm có trụ đặt trên móng cọc bệ cứng Các dầm bệ và cọc BTCT. Bệ có thể là bản, bản có dầm. 25. Bệ cọc thấp. Bệ cọc bằng bê tông hay BTCT, cọc BTCT hay cọc gỗ. 1.3. Những yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn kết cấu công trình bến. Khi thiết kế công trình bến, người ta đề ra các phương án kết cấu có thể sử dụng được, sau đó căn cứ vào các chỉ tiêu kinh tế kỹ thuật (giá thành, thời hạn xây dựng, độ lâu bền và các yêu cầu khai thác) tiến hành so sánh để lựa chọn phương án kết cấu hợp lý. Để có thể đề xuất các phương án kết cấu cần phải biết các yếu tố ảnh hưởng đến kiểu kết cấu công trình bến như điều kiện tự nhiên nơi xây dựng, các yêu cầu sử dụng trình độ và trang bị kỹ thuật của các đơn vị thi công, khả năng cung cấp vật liệu v.v... Chương 1. Những khái niệm chung. 1-10 1.3.1. Điều kiện tự nhiên nơi xây dựng Trong số những yếu tố tự nhiên ảnh hưởng đến giải pháp kết cấu bến thì địa chất công trình nơi xây dựng là điều kiện tiên quyết. Đối với các loại đất mềm và cho phép hạ cọc bằng những phương pháp khác nhau (đóng, ép, xói, rung, xoắn) thì công trình bến kiểu cọc là hợp lý hơn trọng lực và trường là phương án kết cấu được kiến nghị đầu tiên. Các công trình bến kiểu trọng lực sử dụng hợp lý với đất nền là đá, nửa đá hay sét chặt và không cho phép đóng cọc bến trọng lực có thể xây dựng trên đất cho phép đóng cọc nếu thi công theo phương pháp trên khô (trước lúc ngập của hồ chứa nước). Trường hợp đất mềm yếu, không đủ độ bền để tiếp nhận trực tiếp các tải trọng và không cho phép sử dụng móng cọc (thí dụ như lớp đất yếu không dày phủ trên nền đá, lớp đất yếu có độ dày lớn nằm trên lớp đất tốt nhưng quá sâu v.v..., thì phải sử dụng các móng đặc biệt giếng chìm, giếng chìm hơi ép v.v... Sau yếu tố địa chất công trình phải kể đến điều kiện thủy văn. Trong nhiều trường hợp, tình hình thủy văn nơi xây dựng quyết định hình dáng và kích thước của công trình bến, quyết định việc phân bố theo chiều cao các đoạn nghiêng trung gian ở các bến khách và việc phân bố thiết bị neo cập tàu. Khi thiết kế bến bệ cọc cao cần thỏa mãn các yêu cầu sau. Các tải trọng do tàu gây ra phải được truyền vào bệ, nghĩa là trong bất cứ trường hợp nào cũng không nên cho cọc tiếp nhận trực tiếp các tải trọng của tàu bè. Với những biên độ dao động của mực nước lớn hơn 4,0 mét việc tuân theo nguyên tắc này đòi hỏi phải có những giải pháp sáng tạo khi vạch ra phương án kết cấu bệ cọc cao. Trên một số sông có vật trôi về mùa lũ, không nên dùng kiểu bệ cọc cao hay bệ cọc cao với cừ sau vì đề phòng các vật trôi va chạm làm gãy cọc. Sau cùng, tính chất và mức độ ăn mòn của môi trường nước cũng có ảnh hưởng đến việc dùng bến trọng lực hay móng cọc. 1.3.2. Những yêu cầu sử dụng Kiểu và kết cấu công trình bến liên hệ chặt chẽ với sơ đồ cơ giới hóa. Các quá trình bốc xếp trên bến, loại và các đặc trưng kỹ thuật củat máy xếp dỡ, vận chuyển cũng như việc bố trí hoạt động của chóng trên bến quyết định phạm vi, quy luật và giá trị của các tải trọng tác dụng lên công trình bến. Sơ đồ bốc xếp đòi hỏi khu đất trước bến đủ rộng, trong nhiều trường hợp phải dùng bến liền bờ như trọng lực hoặc tường cừ. Việc tạo ra một mặt bằng hẹp ở xa bờ và nối với bờ bằng đường dãn thích hợp hơn cả là dùng móng cọc. Ở các cảng sông, khi bốc xếp hàng rời, công trình bến thường là các trụ độc lập xây dựng trên mái nghiên của bờ. Để có thể tiếp nhận tàu chuyên dụng và có kích thước lớn, các công trình bên phải cấu tạo đặc biệt đủ sức chịu đựng tác dụng của các tải trọng do tàu., 1.3.3.Điều kiện thi công Trình độ, trang bị và điều kiện thi công cũng là một nhân tố ảnh hưởng (nhiều khi rất đáng kể) đến giải pháp kết cấu cụ thể của công trình bến. Nếu thi công trong nước thì tường cừ và móng cọc là các phương án hợp lý nhất. Tường cừ cọc ống bê tông cốt thép đôi khi có thể cạnh tranh được với tường cừ thường nếu như có cơ sở công nghiệp chế tọa cọc và các đội thi công được trang bị búa rung Bến trọng lực, đặc biệt là kiểu khối Chương 1. Những khái niệm chung. 1-11 xếp, đòi hỏi phải có cần trục nổi với sức nâng lớn và các thiết bị chuyên dùng để tạo lớp đệm. Khả năng chế tạo vận chuyển, cẩu lắp trong quá trình xây dựng cũng quyết định kích thước các bộ phận kết cấu công trình. Ở nước ta, nhiều đội thi công được trang bị các búa đóng cọc khác nhau và có nhiều kinh nghiệm xây dựng các công trình móng cọc. 1.3.4.Điều kiện vật tư Khả năng cung cấp vật liệu, đặc biệt là vật liệu tại chỗ (gỗ, cát, đá dăm, đá hộc, đất đắp v.v...) cũng giữ vai trò nhất định khi lựa chọn kết cấu bến. Tường cừ thép đối với nhiều nước tiên tiến trên thế giới là loại kết cấu thi công nhanh và kinh tế. Khi chọn kết cấu bến, người ta sẽ nghiêng về phương án tiêu tốn ít nhất các vật liệu quý hiếm, tăng cường sử dụng các vật liệu có thể chủ động trong kế hoạch và tận dụng vật liệu địa phương. Sau đây là bảng tổng kết phạm vi sử dụng có lợi của các loại kết cấu bến (bảng 1.3). Bảng 1_ 3 Phạm vi sử dụng của các loại kết cấu bến. Phạm vi ứng dụng Số TT Tên và đặc điểm của kết cấu Chiều cao tự do không lớn hơn (Ho) Điều kiện tự nhiên nơi xây dựng Điều kiện xây dựng (1) (2) (3) (4) (5) 1. Tường cừ thép tiết diện lòng máng, không neo 4 Đất cát, sét dẻo chặt, nửa rắn và rắn Không hạn chế 2. Tường cừ bê tông cốt thép tiết diện chữ T không neo 4 Đất cát Như trên 3. Tường cừ bê tông cốt thép tiết diện phẳng 3 Sét dẻo mềm, dẻo chặt và nửa rắn Như trên 4. Tường cừ thép tiết diện lòng máng, 1 neo 11 Đất cát, cuội sỏi sét dẻo mềm, dẻo chặt, nửa cứng và cứng, bùn Như trên 5. Tường cừ bê tông cốt thép tiết diện chữ T, 1 neo 10 Đất cát Như trên 6. Tường cừ bê tông cốt thép tiết diện phẳng 1 neo 10 Sét dẻo mềm, dẻo chặt và nửa cứng bùn Như trên 7. Tường cừ thép, tiết diện lòng máng, 2 neo 14 Đất cát, cuội, sỏi sét và bùn Như trên Chương 1. Những khái niệm chung. 1-12 8. Tường cừ bê tông cốt thép 2 đoạn, 2 neo 15 Đất cát Như trên 9. Tường cừ bê tông cốt thép tiết diện chữ T, cọc neo xiên 9 Đất cát Như trên 10. Tường cừ bê tông cốt thép tiết diện phẳng, cọc neo xiên 9 Sét dẻo mềm, dẻo chặt và nửa cứng Như trên 11. Tường cừ có các thiết bị giảm tải 18 Đất cát, sét và bùn Như trên 12. Tường cừ có màn chắn 18 Như trên Như trên 13. Tường cừ vừa có thiết bị vừa có màn chắn giảm tải 23 Như trên Như trên 14. Tường cừ cọc ống bê tông cốt thép không neo 5 Đất cát, sét (trừ nửa cứng và cứng), bùn Có xí nghiệp chế tạo cọc ống 15. Tường cừ cọc ống bê tông cốt thép, có neo 12 Đất cát, sét (trừ nửa cứng, và cứng), bùn Có xí nghiệp chế tạo cọc ống 16. Tường cọc ống đường kính lớn 12 Như trên Như trên 17. Bệ cọc cao 20 Đất nền bất kỳ cho phép đóng cọc Bệ cọc hình thức phức tạp 18. Bệ cọc thấp 20 Như trên Xây dựng trên khô 19. Bệ cọc không chịu áp lực đất 18 Như trên và cả trong nền đất yếu có chiều dày hạn chế Không có đất đắp gây ra lực ngang tác dụng lên bến 20. Tường trọng lực liền khối Không hạn chế Đất không cho phép đóng cọc Kết cấu bên trên phức tạp, có nhiều VL địa phương 21. Tường trọng lực khối xếp Như trên Như trên và môi trường nước ăn mòn mạnh Không hạn chế 22. Thùng chìm Như trên Đất không cho phép đóng cọc Như trên 23. Tường góc lắp ghép, neo trong 12 Như trên Ưu tiên xây dựng trên khô Chương 1. Những khái niệm chung. 1-13 24. Tường góc lắp ghép, neo ngoài 12 Như trên Xd trong nước và cả trên khô 25. Tường góc có bản chống 9 Như trên Khi cần rút ngắn thời gian xây dựng, phải có cần trục sức nâng lớn 26. Chuồng gỗ 10 Như trên và không có hà ăn gỗ Có nhiều gỗ tại nơi xây dựng 27. Chuồng bê tông cốt thép 10 Đất nền không cho phép đóng cọc Không có cần trục sức nâng lớn.