Конспект лекций Портовые сооружения

91

Переходная прямая EC’, EC’’, ЕС’’’, ЕС или Е’С, Е’’C проводится из условия равенства давления по обе стороны стенки.

Ниже переходного участка давление равно - активному. То есть путем последовательного изменения эпюры предельного сопротивления грунта (FEC’СИВА, FEE’’СИВА) добиваются замыканию эпюры моментов (то есть необходимо, чтобы замыкающая, последний луч и линия отметки погружения шпунта пересеклись в одной точке; в причальных стенках мы рядом последовательных приближений, заглубляя или, наоборот, поднимая шпунт вверх корректируем последние силы и лучи с тем, чтобы замкнуть силовой и веревочной многоугольники – в этом случае замыкающая, последний луч и линия действия Ep’ пересекутся в одной точке).

Дальнейший расчет производится по аналогии с предыдущим. Если при этом глубина забивки t и максимальный изгибающий момент M изгмах окажутся меньше, чем при расчете на вертикальную

нагрузку, то принятая ширина считается достаточной, в противном случае следует увеличить ширину сооружения В ил при соответствующем обосновании увеличить сечение стенок.

После подбора сечений свай и определения глубины их забивки производится расчет всего сооружения на сдвиг и поворот.

4. Проверяется достаточность принятой ширины сооружения из условия его устойчивости на сдвиг и поворот.

Потеря устойчивости сооружения двухрядной конструкции может произойти в результате скольжения в плоскости наиболее опасного сечения (на уровне дна, или на уровне слоя слабого грунта). В этом случае сооружение проверяют на сдвиг.

Потеря устойчивости сооружения может произойти и вследствие выдергивания шпунта (или свай). В этом случае сооружение проверяют на поворот относительно центра сечения (подошвы) в уровне опасного сечения.

Расчетная схема в том и другом случае имеет вид:

Ев – сумма двигающих сил (волн.д.е.);

Ry – реакция грунта основания на глубине у

( Rу g y N1y N2 y );

N1y и N2у – силы сопротивления нижней части (ниже расчетного уровня) свай или шпунта выдергиванию или вдавливанию.

N1у (Еnhр Eazy )tg 0

N2 у (Еah Eazy )tg 0

Enрh - горизонтальное состояние предельного

сопротивления грунта за внешней стенкой;

Eah, Еа1у, Eа2у – горизонтальные составляющие активного давления грунта;

Enу – горизонтальные составляющие пассивного давления грунта;

Рс1, Рс2 – сопротивление шпунтовых стенок излому (определяется по технической литературе); φ0 – угол трения грунта по стенке.

В заключении необходимо провести проверку общей устойчивости сооружения по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения.

Сооружения ячеистой конструкции (металлический плоский шпунт).

На основании экспериментальных исследований установлено, что наиболее вероятное разрушение ячейки произойдет в результате ее перекоса, вследствие сдвига материала засыпки по вертикальной плоскости.

При расчете ячеистых конструкций используют приближенный метод, предложенный Жемочкиным Б.Н. и дополненный Титовой В. И.

93

(перенос).

Предварительно назначаем ширину сооружения

Dячейки=(0,8÷0,9)H.

При расчете устойчивости конструкции на сдвиг по вертикали (диаметральной) плоскости предполагается, что сооружение находится в состоянии предельного равновесия и при переносе ячейки в вертикальной плоскости сдвига развиваются силы трения Т1.

Сила трения Т1 включает в себя силу трения в грунте Т1’ и силу трения в замках шпунта Т1’’. При переносе ячейки возникают силы трения грунта о шпунт Т2 по всему периметру ячейки.

По аналогии с изгибом стержней сдвиг произойдет по средней плоскости, где касательные напряжения максимальны. При действии горизонтальной нагрузки эпюра

напряжения в горизонтальной плоскости имеет форму трапеции, и при повороте ячейки около средней точки подошвы О возникает пара реактивных сил S, противодействующих перекосу.

S (T1 'T1 '') T2

T1

Таким образом, перекашиванию ячейки, вследствие действия момента внешних сил (относительно точки O) Мопр., сопротивляются моменты следующих сил.

Сила трения Т1, действующая в средней плоскости, равна сумме сил:

Т1= Т1’+ Т1’’

Т1’ – сила трения в грунте, равная Екр*D*tg*φзас;

Т1’’ – сила трения в замках шпунта, расположенных в средней плоскости, рвная Eкр*D*f (f - коэффициент трения в замках шпунта).

При перекосе ячейки возникают силы трения грунта о шпунт Т2, которые образуют пару с плечом b=1,274R.

φ – угол трения грунта по металлическому шпунту.

Проектируя вес силы или вертикальную ось, находим значение силы S: S=Т1-Т2. Плечо пары сил S равно: а=1,178R.

Удерживающий момент, определяется по формуле: Муд=Sa+Т2b (момент от Т1=0). Условие устойчивости на перекос имеет вид:

ес р М опр с М уд

п

M уд M1 M 2 M 3 M отп

После подстановки всех действующих сил и ряда преобразований получим:

95

Α – 0,3 – коэффициент учитывающий распределение сосредоточения нагрузок на высоте 3-4м;

А– коэффициент, характеризующий форму ячейки;

А= l (расстояние между диафрагмами) для сегментных;

А= lк (расстояние между центрами подрывов) для цилиндрических;

Рк – разрывающее усилие, передаваемое козырьком через узловую шпунтину, в виде сосредоточенных нагрузок от давления засыпки на козырек

Рк = Gакр*r*cosβ

Gакр – интенсивность активного давления грунта засыпки на козырек, вычисленная с учетом кривизны.

r – радиус козырька; r=(2/3÷1)R;

Β – см.чертеж (угол между направлением действия силы Рк и перпендикуляром и продольной оси сооружения);

Рв – максимальное разрывающее усилие от волновой нагрузки.

h

Рв воды вп 2в l для _ сег ментных_ ячеек

Рв в вп h2в lк для _ цилиндрических _ ячеек

hв – высота исходной волны;

ηвн – понижение свободной волновой поверхности СНиП-II-57-75.

Далее строится эпюра суммарного внутреннего давления на стенки ячеек и производится проверка их на растяжение на наиболее загруженном участке по высоте стенки.

Конструкции оградительных сооружений откосного типа

Оградительные сооружения откосного профиля строят из различного вида набросок: каменной,

из фасонных блоков.

Каменные наброски могут быть выполнены из несортированного и сортированного камня.

I. Оградительные сооружения из несортированного камня.

Применяют при незначительном волнении h<2÷2,5м и малой глубине. При большем волнении насыпь быстро разрушается. Морской откос под воздействием штормов нередко уполаживается до 1:8-1:12. Оградительные сооружения из несортированного камня возводят при сравнительно небольшой глубине и слабом волнении. Крутизна откосов составляет 1:3-1:5. Для таких сооружений используется ванный камень изверженных или твердых осадочных пород (известняк, прочный песчаник) массой от 5- 10 кг до нескольких тонн. При

незначительном волнении его действию могут противостоять только крупные камни. В связи с этим возникает необходимость в сортировке камня с тем, чтобы на откосах сооружения располагать наибольшие по массе камни.

II. Оградительные сооружения из сортированного камня.

96

I – глыбы 10 -20 т

II – камни 1 – 5 т

III – камни 0.5 – 1 т

IV – щебень

С уменьшением глубины ко дну камень насыпается мельче, толщина каждого слоя не менее 2-я метров. Оградительные сооружения из сортированного камня возводятся в основном из высокопрочного камня

изверженных пород с R≥2000 кН/м3. Ядро таких сооружений отсыпается из мелкого камня и карьерной мелочи. Затем отсыпается более крупный камень. В верхней части сооружения и на откосах, .где волновые удары достигают максимума, укладывается самый крупный камень массой от 5 до 12-20т в зависимости от расчетных параметров волн и крутизны откоса. Размер камня, расположенного в нижележащем слое, должен быть меньше размера пустот между камнями вышележащего слоя, а масса камней должна иметь отношение не менее 1:9.

Камень, применяемый для наброски, по массе подразделяется на пять категорий.

Уклон откоса сооружения с внутренней стороны должен составлять 1:1-1:1,5, с морской стороны 1:3-1:5 в приурезовой зоне и 1:5-1:3 в нижней части.

Отметка гребня оградительного сооружения должна быть несколько выше наката волны. Если же допускается частичное перекатывание больших волн через сооружение, гребень может быть несколько ниже.

III.Оградительные сооружения из массивной наброски

При расчетной высоте волны h>5,0м – необходимо иметь очень крупные камни (глыбы), что не рационально из-за трудности подбора естественных камней перешли к искусственным массивам и блокам, которые укладывают в наброску.

Сооружения из массивной наброски состоят из массивов от 15 до 100 т при соотношении сторон

1:1 и 1:1,5.

Основанием сооружения является, как правило, каменная постель, состоящая из ядра (карьерные отходы и камень массой до 30кг) и верхнего покрытия толщиной 1-1,5м из камня массой 100-200кг. Каменная постель со стороны гавани имеет форму уступа для обеспечения надежного упора массивной наброски и сокращения числа бетонных массивов. Постель обязательна при строительстве на мягких грунтах.

Основной частью сооружения является массивовая наброска. Морской откос при наброске прямоугольных массивов имеет уклон от 1:1,25 до 1:6, а внутренний откос – от 1:1 до 1:1,25. Для предотвращения раскатывания массивов на берме укладываются упорные берменные массивы. Ширина гребня на уровне воды принимается не менее 3,5-4 высоты волны, а возвышение гребня над спокойным уровнем – не менее 0,7.

Пористость сооружений из массивовой наброски составляет 43-48%.

Чтобы исключить сползание массивов вниз по откосу, ниже хоны наибольшего волнового воздействия устраивают упорную берму из каменной наброски. Берма прикрывается берменными упорными массивами.

IV. Оградительные сооружения из наброски фасоных блоков.

Оградительные сооружения из наброски массивов до 100т имеют высокую стоимость. Кроме того, для их строительства необходимы плавучие краны большой грузоподъемности. В связи с этим в настоящее время у нас в стране и за рубежом, вместо массивов начали применять различные малогабаритные фасонные блоки: тетраподы, стабиты, трибары, тетраэдры, диподы и др.

Фасонные блоки обладают значительно большей волногосящей способностью, чем обыкновенные массивы. Наброска из фасонных блоков имеет высокую пористость и шероховатость. Что приводит к

97

разделению накатывающейся волны на большее количество отдельных струй. Энергия этих струй теряется при столкновении друг с другом.

Наиболее широкое распространение из всех фасонных блоков получили тетраподы. Наброска из тетраподов обладает большим сцеплением и, следовательно, большой устойчивостью. Это позволяет увеличить крутизну откосов, следовательно, уменьшить поперечный профиль сооружения и снизить стоимость.

Проектирование и расчет откосных оградительных сооружений

При проектировании откосных оградительных сооружений необходимо в первую очередь выбирать поперечный профиль сооружения, определить отметку гребня сооружения и подобрать вес камня, массивов или блоков, устойчивых на откосе при расчетном шторме.

Расчетную обеспеченность высоты волны в системе волн принимают равной 2%.

Различают обеспеченность в режиме т в системе. Обеспеченность в режиме (режиме поперечного шторма) назначается исходя из класса капитальности сооружения и по скорости ветра.

1,2 класс капитальности - Р=2% (1 раз в 50лет); 3,4 класс капитальности - Р=4% (1 раз в 25лет).

Обеспеченность в системе (системе волн) принимается по количеству волн, то есть учитывается нерегулярность волнения.

H1% - максимальная высота волны из 100 волн, бегущих через указанную точку акватории.

Определение возвышения гребня

Над расчетным максимальным горизонтом при недопущении перелива вод через гребень определяется по формуле:

а) для сооружений из каменной наброски

Zc=hнг+ hнк+a

а – конструктивный запас, равный 0,1h;

hнг - высота ветрового нагона воды при расчетной скорости ветра; hнк - высота наката волны на откос.

Высоту нагона hнг (перекоса свободной поверхности акватории под действием ветра) рекомендуется определять по данным натурных наблюдений для наиболее волноопасного направления. При отсутствии данных наблюдений hнг допускается определять (без учета конфигурации береговой черты и рельефа дна) методом последовательных приближений по формуле:

98

V 2 l

hнг К w g(dw hнг ) соs w , м

Vw – расчетная максимальная скорость ветра;

l – разгон волны, то есть протяженность охваченная ветром акватории; d – глубина перед сооружением;

g – ускорение свободного падения;

αw – угол между продольной осью водоема и направлением ветра; наихудшие условия cosαw = 1.0,

αw = 0˚.

Кw – коэффициент f (Vw).

1-ое приближение: hнг = 0  опр. h’нг 2-ое приближения: hнг = h’нг  опр. h’’нг До тех пор, пока hнгi hнгi 1

Высоту наката волны на откос обеспеченностью 1% для фронтально подходящих волн (h1%) определяется по формуле:

hнк1% K2 K p Ksp Kчип h1 %

К2 – коэффициент шероховатости откоса; Кр – коэффициент водонепроницаемости откоса;

Кsp – коэффициент, учитывающий влияние нерегулярности волнения;

Кчип – коэффициент, учитывающий влияние пологости волны и заложение откоса (m=ctgα – заложение откоса).

б) для сооружений из массивной наброски:

Zc (0.75 1.0)h2%

Ширина сооружения по гребню

Ширина сооружения по гребню назначается, исходя из условий производства работ и эксплуатации, и принимается равной h, но не менее:

-для каменно-набросных сооружений – 4м;

-для массивовой наброски – 2L (L – максимальный размер массива).

На уровне расчетного максимального горизонта воды волнолом должен иметь ширину не меньше (3÷4)h для каменно-набросных и 4L для наброски их массивов.

Заложении откосов (морских):

-для сооружений из каменной наброски от 1:1,25 до 1:4 в зависимости от силы волнения и крупности камня;

-для наброски из массивов или блоков от 1:1 до 1:1,5.

Устойчивость элементов крепления на откосе

Камни и массивы недостаточного веса при воздействии волн могут потерять устойчивость и скатиться вниз.

Масса рваного камня, массивов или блоков, соответствующая состоянию его предельного равновесия от действия ветровых волн определяется по формуле: при расположении камня или блоков на участке откоса от верха сооружения до глубины z=0,7h:

99

Тоже, при Z>0,7h

μр, Kf2 – коэффициенты = f (вида покрытия: камень, блоки и т.д.). γм – объемный вес камня или блока;

mα – заложение откоса mα=ctgα.

Интенсивность удара волн особенно велика в зоне прилегающей к спокойному уровню воды. Вверх по откосу интенсивность волн воздействий постепенно уменьшается и ограничивается высотой наката волны. Если допускается перекатывание волн через гребень, то крепление гребня и тылового откоса должны быть усилены. Вес камней в зоне гребня следует увеличить на 20% по сравнению с величинами, определенными по формуле (1).

Вниз по откосу от спокойного уровня интенсивность волновых воздействий так де постепенно уменьшается. Ниже зоны обрушения волн на глубине Z, отсчитываемой от минимального уровня, вес камней на поверхности откоса определяется по формуле (2).

Приведенные выше значения веса камней должны соблюдаться в поверхностной зоне наброски, толщина которой должна быть не менее2-хметров и, во всяком случае, не менее двух слоев камня указанных размеров. В более глубоких слоях камень может иметь меньшие размеры. Слой камня так же должен иметь толщину , не меньшую 2-х м.

Проектирование головы

Головные части оградительных сооружении вертикального типа имеют усиленную конструкцию, так как на них действуют более интенсивнее волновые нагрузки.

Ширина головной части В2 принимается увеличенной: В2=(1,3÷1,5)Вст. Длина головной части: L2=(2,5÷3)Вст

Надстройка в голове делается на 1 м выше (максимально на 1,5м).

Голова мола имеет, как правило, с 3-х сторон парапет, который сопрягается лестницей с плитой надстройкой. Ширина бермы вдоль головы мола должна быть увеличена на 30-40%, а откосы постели сделаны более пологими. Берменные массивы укладывают как со стороны моря, так и гавани. Голову мола рассчитывают как единый блок на воздействие максимальной волновой или ледовой нагрузки. Волновую нагрузку определяют с учетом дифракции волн.

При расчетах принимают повышенные коэффициенты надежности.

Корневая часть

Корневая часть мола может отличаться по конструкции от остальной части сооружения. Наиболее распространенные конструкции корневой части:

–в виде двухрядной конструкции из металлического или железобетонного шпунта;

–в виде каменной наброски с мощной бетонной плитой поверху и на откосах.

При сильном основании укладывают бетон в мешках с бетонной надстройкой.

При проектировании необходимо учитывать трансформацию волн и увеличенную опасность подмыва корневой части. Эта часть сооружения, как правило, врезается в берег на длину, не меньшую полуторной длины наката (заплеска) волны на берег при максимальном волнении.