Phân tích kết cấu đê chắn sóng trên bệ cọc cao kết hợp bến cập tàu
Đê chắn sóng dạng tường trên bệ cọc cao, kết hợp làm bến cập tàu ở phía trong, là giải pháp ngày càng phổ biến ở các cảng có nền đất yếu và mặt bằng hạn chế. Thay vì đổ một khối đá lớn trên đáy biển, công trình dùng một bức tường chắn sóng treo trên hệ cọc, phía sau là bệ bê tông cốt thép đủ rộng để vừa chắn sóng, vừa khai thác như một cầu bến.
Bài viết này phân tích bốn cấu kiện chính của dạng công trình đó, dựa trên số liệu trích từ một bộ hồ sơ thiết kế kỹ thuật thực tế: kết cấu đê tổng thể, cọc ống bê tông dự ứng lực PHC D600, bích neo 20T và đệm tàu cao su chữ V 400H. Cao độ trong bài theo hệ nhà nước, đơn vị mét.
Mô hình 3D tương tác
Bốn cấu kiện trong bài được dựng lại thành mô hình 3D theo đúng kích thước bản vẽ. Dùng chuột trái để xoay, chuột phải để kéo, con lăn để thu phóng. Bảng điều khiển ở góc phải cho phép chuyển góc nhìn, ẩn phần vỏ bê tông để xem cốt thép và bu lông neo, hoặc cắt mặt cắt.
1. Tổng thể đê chắn sóng trên bệ cọc cao
Mặt cắt ngang điển hình có bề rộng kết cấu 13,00 m. Dọc theo tuyến, đê được chia thành các phân đoạn dài 50 m, mỗi phân đoạn gồm 11 khung ngang đặt cách nhau 4,8 m. Có thể đọc kết cấu theo ba dải chức năng từ phía biển vào phía bến.
Dải chắn sóng phía biển
Tường chắn sóng đúc sẵn dày 35 cm, chân tường ở cao độ −3,20 m, liên kết với dầm mũ ở đỉnh.
Tường hắt sóng đổ tại chỗ, mặt phía biển dạng cong lõm, đỉnh ở cao độ +4,00 m.
Sườn tường bố trí tại các khung ngang, truyền lực từ tường vào mũ cọc.
Điểm đáng chú ý là chân tường chỉ xuống đến −3,20 m, trong khi đáy tự nhiên tại vị trí công trình sâu khoảng −6,1 m. Đây là dạng tường rèm: tường chặn phần năng lượng sóng tập trung gần mặt nước, còn khoảng hở bên dưới cho phép nước lưu thông. Cách làm này giảm đáng kể tải trọng sóng tác dụng lên kết cấu so với một tường kín đến đáy, đồng thời hạn chế tình trạng nước tù trong khu bến. Đánh đổi là một phần sóng vẫn truyền qua bên dưới, nên chiều sâu chân tường phải được xác định từ bài toán truyền sóng cho từng điều kiện cụ thể.
Mặt cong lõm của tường hắt sóng có tác dụng đổi hướng dòng nước leo ngược ra biển. Với đỉnh tường +4,00 m, khoảng lưu không so với mực nước cao thiết kế +2,19 m là 1,81 m, phần này kết hợp với mặt cong để kiểm soát lượng nước tràn qua đỉnh.
Dải bệ và hệ dầm
Bản mặt cầu bê tông cốt thép đổ tại chỗ dày 30 cm, phủ lớp bê tông lưới thép trung bình 7,5 cm, tạo dốc ngang 1 %. Cao độ đỉnh bến +2,50 m, tại tim mặt bến +2,57 m.
Dầm dọc tiết diện 60×80 cm (dầm dọc loại 2 là 80×90 cm), chạy suốt chiều dài phân đoạn.
Dầm ngang 60×80 cm tại mỗi khung, liên kết với ba cụm mũ cọc: phía biển, giữa bệ và phía bến.
Dải móng cọc
Mỗi khung ngang có 6 cọc PHC D600, chiều dài 45 m, đóng xiên với độ dốc 6:1. Cọc được bố trí thành các cặp xiên ngược chiều nhau tạo thành hình chữ V: một cặp dưới mũ cọc phía biển, một cặp chung một điểm tại mũ cọc giữa, và một cặp dưới mũ cọc phía bến.
Đây là lựa chọn hợp lý về mặt chịu lực. Tải trọng ngang của công trình gồm áp lực sóng, lực va tàu và lực kéo neo. Nếu dùng cọc đứng, các lực này phải được chịu bằng uốn trong thân cọc. Khi bố trí cặp cọc xiên, tải trọng ngang được phân thành lực nén ở cọc này và lực kéo ở cọc kia, tức là cọc làm việc chủ yếu theo lực dọc trục, phát huy tốt khả năng của cọc ống dự ứng lực.
Dải bến phía trong
Bản tựa tàu bê tông cốt thép 35×250 cm chạy dọc mép bến, đáy ở cao độ ±0,00, đỉnh ở +2,50 m.
Đệm tàu loại chữ V 400H đặt tại mỗi khung, tức cách nhau 4,8 m.
Bích neo 20T đặt cách một khung, tức cách nhau 9,6 m, gần mép bến.
Các mực nước thiết kế: mực nước cao thiết kế +2,19 m, mực nước trung bình +0,13 m, mực nước thấp thiết kế −0,32 m.
2. Cọc PHC D600 cấp C, thành dày 110 mm
Cọc ống bê tông dự ứng lực là cấu kiện quyết định khả năng chịu lực và tuổi thọ của toàn bộ công trình. Các thông số chính trên bản vẽ:
Đường kính ngoài 600 mm, đường kính lỗ 380 mm, thành dày 110 mm.
Thép dự ứng lực 24 thanh Φ10,7 phân bố đều trên vòng tròn đường kính 490 mm.
Thép tăng cường đầu cọc 8Φ12, dài 800 mm ở mỗi đầu đoạn cọc.
Cốt đai xoắn: 2Φ5 bước 50 mm trên đoạn 1.200 mm ở hai đầu; Φ5 bước 100 mm ở đoạn giữa.
Tấm thép đầu cọc dày 18 mm, vành thép bao đầu cọc dày 10 mm, dài 200 mm.
Bê tông cường độ 80 MPa ở tuổi 28 ngày; nghiệm thu theo JIS A5373:2010.
Yêu cầu tối thiểu: ứng suất hữu hiệu 10 N/mm², mômen nứt 284,5 kN.m, mômen phá hủy 569,0 kN.m.
Đai xoắn được làm dày gấp đôi trên 1,2 m ở mỗi đầu đoạn cọc. Đây là vùng chịu ứng suất cục bộ lớn nhất: lực dự ứng lực được truyền vào bê tông ở đây, và đầu cọc trực tiếp nhận xung lực khi đóng. Bố trí này giảm nguy cơ nứt dọc và vỡ đầu cọc trong quá trình thi công.
Mối nối và mũi cọc
Với chiều dài 45 m, cọc phải tổ hợp từ nhiều đoạn. Mối nối dùng liên kết hàn giữa các tấm thép đầu cọc, tăng cường bằng 4 tấm ốp thép 250×200×10 mm hàn quanh chu vi với chiều cao đường hàn 7 mm. Sau khi hàn, vùng mối nối được quét 2 lớp nhựa đường trên chiều dài 218 mm về mỗi phía để chống ăn mòn.
Mũi cọc là bản thép hình chữ thập dày 12 mm, nhô 120 mm khỏi tấm đầu cọc. Dạng mũi này giúp cọc giữ đúng hướng và xuyên qua lớp đất chặt. Với cọc đóng xiên 6:1, việc giữ hướng ngay từ đầu càng quan trọng.
3. Bích neo 20T
Bích neo là chi tiết nhỏ nhưng chịu tải trọng tập trung lớn và gần như không thể sửa chữa nếu neo sai. Thông số trên bản vẽ:
Thân bích bằng gang đúc cấp Gr.300 theo BS EN 1561, dạng đầu chữ T có ngạnh.
Chiều cao tổng 290 mm; đầu bích 360 × 360 mm; cổ bích đường kính 190 mm.
Bản đế 410 × 479,7 mm, dày 50 mm.
Neo bằng 5 bu lông M30 dài 500 mm, cấp bền 8.8, mạ kẽm nhúng nóng; chân bu lông có bản đệm 100 × 100 × 15 mm.
Chèn vữa dưới bản đế; bản đế nhô khoảng 10 mm khỏi mặt bến.
Thiết kế theo BS 6349 với giả thiết bê tông 40 MPa và hệ số tải trọng ở trạng thái giới hạn cực hạn 1,4.
Bích được đặt ngay trên dầm ngang để 5 bu lông neo được chôn vào dầm, nơi có chiều cao tiết diện và cốt thép đủ để tiếp nhận lực nhổ, thay vì chỉ neo vào bản mặt cầu dày 30 cm. Đây là chi tiết cần phối hợp chặt giữa bản vẽ bích neo và bản vẽ cốt thép dầm: bu lông và thép dầm phải được định vị trước khi đổ bê tông.
4. Đệm tàu cao su chữ V 400H – 2000L
Chiều cao đệm 400 mm; chiều dài mặt tì 2.000 mm, chiều dài đế 2.200 mm.
Bề rộng đế 800 mm, mặt tì rộng 260 mm, chiều dày mặt tì 106 mm.
Liên kết bằng 8 bu lông M36 cấp bền 8.8 có móc neo, bước bu lông 630 mm.
Phản lực lớn nhất 196 kN; năng lượng hấp thụ nhỏ nhất 33 kN.m; biến dạng lớn nhất 52,5 %.
Đệm được treo đứng trên bản tựa tàu, phủ dải cao độ khoảng từ +0,15 m đến +2,35 m. Dải này bao trùm toàn bộ biên độ mực nước từ −0,32 m đến +2,19 m, nên tàu cập ở mọi mực nước đều tì vào đệm thay vì tì trực tiếp vào bê tông.
Bản vẽ ghi rõ thông số đệm lấy theo catalogue nhà sản xuất và chỉ có giá trị tham khảo. Khi mua sắm, cần đối chiếu sản phẩm thay thế theo các chỉ tiêu tính năng (năng lượng hấp thụ, phản lực, biến dạng cho phép) chứ không chỉ theo kích thước hình học.
5. Những điểm cần lưu ý khi rà soát hồ sơ
Từ bộ bản vẽ này có thể rút ra một số điểm kiểm tra hữu ích cho bất kỳ hồ sơ bến cảng nào:
Thống nhất mực nước thiết kế giữa các bản vẽ. Mực nước là đầu vào của cả bài toán sóng, cao độ đỉnh và vị trí đệm tàu. Bản vẽ chi tiết phụ kiện thường được lập riêng hoặc sao chép từ dự án khác, nên cần đối chiếu lại với bản vẽ tổng thể.
Khớp giữa bảng thống kê cấu kiện và mặt cắt. Kích thước dầm trong bảng thống kê phải trùng với kích thước thể hiện trên mặt cắt, nếu không khối lượng dự toán và thi công sẽ lệch nhau.
Phụ kiện theo catalogue. Bích neo, đệm tàu thường dùng bản vẽ của một hãng cụ thể. Hồ sơ mời thầu nên quy định theo chỉ tiêu tính năng để tránh ràng buộc vào một nhà cung cấp.
Mối nối cọc và chống ăn mòn. Với công trình biển, mối nối hàn là điểm yếu về ăn mòn; quy định về lớp bảo vệ và nghiệm thu đường hàn cần ghi rõ trên bản vẽ.
Kết luận
Đê chắn sóng trên bệ cọc cao kết hợp bến là một tổ hợp kết cấu chặt chẽ: tường rèm giảm tải sóng, cặp cọc xiên chuyển tải trọng ngang thành lực dọc trục, hệ dầm phân phối tải về các khung, và các phụ kiện bến được bố trí bám theo nhịp khung 4,8 m. Mỗi chi tiết, từ đai xoắn đầu cọc đến bu lông neo bích, đều phục vụ một cơ chế chịu lực cụ thể. Hiểu được logic đó giúp người làm tư vấn và thẩm tra đánh giá hồ sơ nhanh hơn và phát hiện sớm những điểm thiếu thống nhất trước khi chúng thành vấn đề ngoài hiện trường.
Bình luận