Конспект лекций Портовые сооружения

121

Причальные сооружения гравитационного типа по условиям допустимой неравномерности осадок следует проектировать с таким расчетом, чтобы равнодействующая нагрузок R0 не выходила из

ядра сечения (радиусом равным b6 ). Это условие

определяется зависимостями: a b3 ; e b6

Допускается выход равнодействующей нагрузок за пределы ядра сечения только для

сооружений на скальном основании до e b4 и на основаниях из твердых и плотных грунтов только в случае расчета на особые сочетания нагрузок до e b5 .

В этом случае (то есть e b6 ) краевые напряжения определяются по формулам:

Нормальные напряжения на грунт основания под каменной постелью определяется из условия передачи нагрузок через каменную наброску под углом 450 .

b – ширина сооружения

hn – толщина каменной постели

кн - объемный вес камня с учетом взвешивания R1 - расчетное сопротивление грунта основания.

Толщина каменной постели hn определяется из условия, чтобы нормальные краевые напряжения не превышали расчетного сопротивления грунта основания.

При отрицательной величине подкоренного выражения толщину сооружения принимают конструктивно.

Осадку сооружения и его крен следует определить путем послойного суммирования деформаций слоев грунта под передней и задней гранями сооружения в пределах активной зоны по глубине.

Осадке по середине подошвы сооружения не должны превышать 15-20 см. Предельные углы крена в радианах при общей высоте стенки H ≤ 10 м – 0.015 радиана, а при H > 10 м - 0.010рад.

4. Устойчивость гравитационных причальных сооружений на опрокидывание следует проверять только в случае выхода равнодействующей нагрузок из ядра сечении (при e b6 ) по формуле:

переднего ребра вращения.

Для уголковых стенок с внешним анкером устойчивость на опрокидывание не проверяется.

122

5. При расчете общей устойчивости морских причальных сооружений по схеме глубинного сдвига в предположении скольжения по круглоцилиндрическим поверхностям (метод Терцаги) должно быть выполнено условие:

Рассмотрим

устойчивость отдельной полоски. Сила веса g раскладывается на две составляющие – нормальную N и

Порядок расчета:

Из критического центра скольжения О произвольным радиусом очертим вероятную кривую поверхности скольжения. Массив грунта, сползающий вместе с сооружением по возможной кривой разбиваем на полосы шириной b = 0.1 R . Затем определяем вес каждой полосы gi ; вычисляем Муд и Мсдв и проверяем устойчивость по формуле 17.

gi – вес соответствующей полосы; αi – угол, см. чертеж;

φi – угол внутреннего трения грунта соответствующей полосы в пределах кривой поверхности скольжения;

сi – удельное сцепление грунта в пределах длины кривой скольжения li рассматриваемой полосы; li – длина кривой скольжения рассматриваемой полосы;

R – радиус кривой поверхности скольжения.

123

Причальные сооружения типа тонкой стенки больверки.

Больверком называется причальное сооружение, состоящее из тонкой вертикальной стенки и анкерных устройств.

Тонкая вертикальная стенка больверка должна быть сплошной и не допускать вымыва грунта засыпки причала. Поэтому лицевая стенка чаще всего устраивается в виде шпунтового ряда.

Незаанкерованные больверки.

1. Незаанкерованный больверк из железобетонного шпунта.

ЖБ шпунт получает все большее распространение. В настоящее время находят применение такие типы ЖБ шпунта как плоский тавровый, широкопанельный и цилиндрический.

ЖБ шпунт изготовляется предварительно напряженным. Применение в больверках шпунта из обычного ЖБ нецелесообразно. Это объясняется тем, что в лицевой стенке образуются значительные изгибающие моменты.

Наиболее широкое распространение получили шпунты с трапецеидальными замками пазами типа «гребень-паз». Иногда с целью избежания поломки гребня замка, последний делают стальным в виде согнутой полосы толщиной 10 – 12 мм, приваренной к листу, заложенному в бетон.

Плоский

преднапряженны й шпунт для морских условий изготавливается длиной до 24 м при ширине 0.5 м и высоте

сечения до 0.45 м, а для речных – длиной до 18 м при ширине 0.5 м и высоте сечения до 0.35 м. ЖБ конструкция тонких стенок из шпунтовых свай обычного типа получается весьма тяжелой.

Это объясняется тем, что бетон работает на растяжение значительно хуже, чем на сжатие, и в особенности при соблюдении условия недопустимости трещин, недоиспользуется несущая способность сжатой зоны сваи. В связи с этим в последнее время стали широко применять шпунт с предварительно

напряженной арматурой, а также шпунт иных профилей.

2. Больверки из таврового ЖБ шпунта.

124

Шпунты таврового профиля (повышенной жесткости) получили широкое применение в отечественном строительной практике. Высота ребра h определяется значением изгибающего момента, который должен быть воспринят шпунтом (Мизг зависит от глубины перед стенкой). Остальные размеры указаны на рисунке.

Min толщина полки принимается равной 15 см – для предварительно напряженного шпунта и 20 см – для шпунта без предварительного напряжения.

Тавровый шпунт имеет различное очертание нижнего конца. Очертание нижних концов

Рекомендуется применение шпунтов с острым симметричным и несимметричным очертаниями. Так как для их погружения требуется минимальное число ударов, однако при несимметричном очертании к тому же верность наименьшая (возможные отклонения шпунта от проектного положения). При несимметричном очертании конца минимальная верность достигается за счет лучшего прижатия сваи грунтом (углы разные, давление грунта различное).

При проектировании ЖБ больверков большое внимание уделяют обеспечению их грунтонепроницаемости, ибо «высасывание» грунта через швы между элементами ведет к просадке территории причалов и к нарушению их нормальной эксплуатации.

Схемы перекрытия швов между шпунтами:

Эти грунтонепроницаемые замки надежны и удобны, но из-за высокой металлоемкости они применяются редко (дорого).

При строительстве «насухо» и в тех случаях, когда может возникнуть гидростатическое давление на стенку с внутренней стороны (при большом колебании уровня воды) рекомендуется устройство обратного фильтра.

125

Самым экономичным способом является навеска матов из дорнита и других синтетических материалов (см. уголковые стенки)

Для прямоугольного шпунта предохранение от высасывания грунта рекомендуют делать по схеме приведенной на рисунке.

2. Больверки из ЖБ свай-оболочек.

Продольная арматура 24 Ø16-24 мм – (напряженная)

Кольцевая арматура Ø10 мм – (конструктивная)

ЖБ сваи-оболочки применяемые при строительстве набережных изготавливают как с предварительным напряжением арматуры, так и без него. Сваи изготавливаются на центрифугах

отдельными секциями 6; 8; 12 м, имеющих на концах стыковые фланцы. Это позволяет собирать длинную сваю оболочку требуемой длины из отдельных звеньев. Нижняя секция снабжается, как правило, ножевым фланцем.

Вопрос грунтонепроницаемости решается достаточно просто.

Были предложены конструкции замков в виде паза и кулачка. В настоящее время практически не применяют, так как для преодоления трения в замках возмущающая сила вибропогружателя должна превосходить вес шпунта не менее чем в 2 раза. Замки часто выходят из строя (ломаются).

3. Незаанкерованный больверк из стального шпунта.

Стенки из металлического шпунта обладают хорошей грунтонепроницаемостью и даже водонепроницаемостью.

Металлический шпунт при применении битумных окрасок, особенно в зоне переменной смачиваемости, достаточно долговечен (30 лет – море, 100 лет – река).

Типы шпунтов.

Металлический шпунт наиболее широко используется при строительстве причалов типа больверк. Существует большое количество разнообразных профилей металлического шпунта,

126

отличающихся по типу замков и несущей способности. На рисунке изображены наиболее распространенные в гидротехническом строительстве профили стального шпунта: плоский, корытный, зетовый. Шпунт изготовляется длиной от 8 до 25 м. Для строительства причалов типа больверк в основном применяется металлический шпунт корытного профиля, реже зетового. Плоский шпунт для больверков почти не применяется, так как несущая способность его невелика (малый момент сопротивления), применяют его для ограждения котлованов небольшой глубины.

4.

Заанкерованные больверки.

В связи с невозможностью возведения незаанкерованных тонких стенок со свободной высотой более 6-8 м, из-за значительного перемещения верхнего конца такой стенки были разработаны конструкции зввнкерованных больверков.

Заанкерованные стенки отличаются от незаанкерованных наличием анкерного устройства, препятствующего перемещению верхнего конца и уменьшающего изгибающих момент в стенке.

Одноанкерные

Анкерные устройства состоят из анкерных поясов, тяжей, анкерных опор. Отдельные шпунтины передают нагрузку на анкерный пояс и далее она через анкерные тяги передается анкерным шпорам.

А) Заанкерованный больверк из стального шпунта.

127

В

заанкерованных больверках применяют те же типы шпунтов, что и в незаанкерованных.

Анкерные пояса делают из двух швеллеров, которые лучше устанавливать с внутренней стороны (можно и снаружи), где они меньше подвержены механическим повреждениям (ударами судов и т.д.). При этом, конечно, к ним труднее добраться в случае вынужденного ремонта. Анкера делают из круглой стали Ø до 60-100 мм, устанавливая их с шагом 1.5-2 м м больше в зависимости от анкерного усилия. Тяги собирают из отдельных звеньев 6-9 м длиной с помощью накладки или муфт.

При глубинах более 11.5 м применяют коробчатые шпунты, сваренные из особых шпунтин. Несущая способность (за счет увеличения W) таких коробчатых шпунтин увеличивается в 2-2.5 раза.

Б) Заанкерованный больверк из ЖБ шпунта.

В заанкерованных больверках применяют те же типы шпунтов, что и в незаанкерованных. Плоские ЖБ шпунты применяют до глубин 9.5 м (высота стенки при этом составляет 11.5 м).

Тавровые шпунты и сваи-оболочки применяют до глубины 13 м.

Многоанкерные

Введение дополнительных опор и применение нескольких анкеров значительно облегчает работу тонких стенок и позволяет возводить их с большой свободной высотой. Однако, особенно в морских условиях устройство дополнительных опор связано с установкой анкеров ниже уровня, что сильно усложняет производство работ. Еще более важным является то, что натяжение нескольких опор по высоте трудно выполнить одинаковым, что вводит неясность в работу конструкции.

5. Больверки с разгружающими и экранирующими устройствами.

Использование разгружающих и экранирующих устройств позволяет расширить диапазон применения больверков. В настоящее время свободная высота причальных набережных в виде заанкерованных стенок с разгружающими и экранирующими устройствами превысила 20 м.

6. Больверки с разгружающей каменной призмой.

Простейшим разрушающим устройством является каменная призма, отсыпанная за стенкой. Эффект разгрузки достигается благодаря большому φ (по сравнению с песком). Вследствие чего активное давление на стенку снижается приблизительно в 2 раза.

7. Больверк с разгружающими плитами.

Плиты горизонтально на разных уровнях. Такое положение позволяет значительно снизить активное давление и изгибающий момент в стенке.

Плиты выполняют двойную функцию – анкеровки и частичной разгрузки стенки. Разгружающее влияние плит объясняется тем, что они, собирая нагрузку от вышележащего грунта, передают ее нижележащему грунту на определенном удалении от стенки, в результате чего распор концентрируется в ее нижней части.

128

В качестве экранирующих элементов тонких подпорных стенок применяют призматические сваи и сваи-оболочки диаметром 1-2 м. Иногда за лицевой стенкой возводится вторая шпунтовая стенка.

Условия применения и сравнение различных вариантов конструкций

Условия применения. Больверки рекомендуется применять, когда в основании сооружения залегают сжимаемые грунты, не допускающие значительной нагрузки. Из всех конструкций больверков самой универсальной по условиям применения является конструкция из металлического шпунта. Металлический больверк может быть применен в любых грунтовых условиях, за исключением скальных грунтов и грунтов с валунами.

Больверки из железобетонного шпунта прямоугольного сечения рекомендуется возводить в основном на песчаных и глинистых грунтах средней плотности.

Больверки из железобетонного шпунта таврового сечения и из железобетонных колонн-оболочек применяют на песчаных и гравелистых грунтах без валунов, допускающих вибропогружение. Все больверки из железобетонных элементов используются при обычном ледовом режиме. Больверк из металлического шпунта можно строить в суровых климатических условиях при любом ледовом режиме.

При возведении больверков необходимо в достаточном количестве иметь песчаный грунт для устройства засыпки, а при строительстве больверка из железобетонного прямоугольного шпунта — также и камень для отсыпки разгрузочной призмы.

Сравнение различных конструкций. Больверк из металлического шпунта является надежной в эксплуатации конструкцией. Такое сооружение малочувствительно к перегрузкам. Возведение больверков из металлического шпунта отличается сравнительной простотой производства работ, технологичностью, короткими сроками. Несмотря на ряд значительных преимуществ больверков из металлического шпунта, их применение было ограничено в связи с большим расходом прокатной стали. В связи с этим для экономии металла большое применение находят больверки из железобетонного шпунта.

Больверки из железобетонного шпунта прямоугольного сечения применяют для портовых набережных с глубиной у кордона причала до 9,75 м. При больших глубинах изгибающие моменты в лицевой стенке значительно возрастают и прямоугольное сечение шпунта становится нерациональным, вследствие большого расхода железобетона. В связи с этим для глубин более 9,75 м применяют формы сечений, обладающие большим моментом сопротивления.

Больверк из железобетонного шпунта таврового сечения по сравнению с прямоугольным обеспечивает более рациональное распределение железобетона по сечению, т. е. более экономичен. Тавровое сечение по сравнению с прямоугольным позволяет увеличить ширину шпунтин и уменьшить их количество при одном и том же весе. Уменьшение числа шпунтин позволяет сократить сроки строительства причала. Кроме того, уменьшается количество вертикальных стыков между шпунтинами и, следовательно, снижаются затраты на устройство грунтонепроницаемости стыков. Больверк из таврового шпунта относится к жесткому, так как шпунт имеет большой момент сопротивления.

Больверк из колонн-оболочек диаметром 1,2 и 1,6 м является прогрессивной конструкцией. Применение предварительного напряжения в оболочках значительно увеличивает допустимый изгибающий момент и дает возможность сократить расход железобетона. Так как напряженные оболочки обладают большой жесткостью (больверк жесткий), их применение в набережных типа больверк весьма эффективно. Больверки из колонн-оболочек имеют хорошую грунтонепроницаемость лицевой стенки. Вследствие большой жесткости и хорошей грунтонепроницаемости лицевой стенки в конструкции отсутствует каменная призма, чем снижается стоимость причального сооружения.

Анкерные устройства

Анкерные устройства состоят из 2-х основных элементов – анкерных тяг и опор.

Анкерные тяги выполняют из дерева, ЖБ, металла. Тяги из дерева и ЖБ применяют крайне редко, причем деревянные тяги применяют только в деревянных больверках, ЖБ – в ЖБ больверках (с предварительно напряженной арматурой и шарнирным закреплением обоих концов).

Наиболее широко применяют стальные тяги (анкера) круглого сечения Ø = 40 – 100 мм. Более толстые анкера – тяжелые и их применяют редко.

129

В экспериментальном порядке используют анкерные тяги из синтетических материалов, но пока это очень дорого, к тому же синтетические тяги предрасположены к истиранию.

Вдоль линии кордона анкерные тяги устанавливают с шагом 1.5 – 4 м. От провисания анкер поддерживают деревянные сваи с насадками. Для натяжения анкерной тяги снабжены соединительными муфтами с обратной резьбой (талрепами), которые являются и натяжными.

Тяги собирают из отдельных звеньев длиной по 6 – 9 м, соединяемых с помощью накладок или встык, а также соединительных и натяжных муфт. В отличие от соединительных натяжные муфты (талрепы) имеют по концам резьбу разного направления. Ранее осуществлялось шарнирное закрепление тяг к лицевой стенке и анкерной опоре.

Это делалось во избежание значительного увеличения усилий в анкерах при провисании анкерных тяг и зависании над ними засыпки. В настоящее время шарниры как правило не устраивают. Уменьшению прогибов тяг способствует то, что длинные анкерные тяги укладываются на специальные подмости – деревянные насадки по деревянным сваям.

Типы анкерных опор

А н к е р н ы е о п о р ы являются элементом анкерных устройств. Тип анкерных устройств выбирается в зависимости от естественного рельефа дна в тыловой части строящегося причала, усилий, воспринимаемых опорами, расчетными и экономическими соображениями и др.

Существует несколько типов анкерных опор. Это опоры в виде анкерной шпунтовой стенки, опоры

железобетонного шпунта различного сечения. По верху анкерной шпунтовой стенки устраивается монолитный железобетонный шапочный брус, который обеспечивает совместную работу анкерной стенки.

Опоры из плит могут выполняться из дерева, бетона, железобетона и металла. Располагаются в основном в подводной зоне. Для морских больверков может применяться двухребристая железобетонная анкерная плита высотой от 140 до 280 см и длиной от 300 до 470 см (рис. 107). Плита имеет два прямоугольных отверстия в ребрах для пропуска двух анкерных тяг.

Козловые опоры состоят из деревянных или железобетонных свай, погруженных с наклоном от 3 : 1 до1 : 1. Козловые опоры применяют в стесненных условиях строительства и при большой глубине у причала. Их можно располагать в непосредственной близости от лицевой стенки.

Опоры из отдельных вертикальных свай воспринимают сравнительно небольшие усилия. Их применяют для больверков с малыми глубинами у кордона.

Для удобства производства работ необходимо стремиться, чтобы узлы крепления анкерных тяг к анкерной стенке располагались выше отметки рабочего уровня воды. Это условие достигается применением опор в виде сплошной анкерной шпунтовой стенки и опор козловой конструкции. В этом случае возможно производить установку анкерных тяг и их натяжение до засыпки первой очереди грунта в пазуху причала.

130

Лекция №6

Статический расчет тонких стенок

Остановимся вначале на расчете незаанкерованных тонких стенок. Расчет незаанкерованных больверков

Рассмотрим случай расчета стенки находящейся под воздействием горизонтальной сосредоточенной силы, приложенной в верхней части стенки ( в верхнем конце).

Впрактике такой случай встречается при расчете анкерных вертикальных свай, отдельно стоящих нал и т.д.

Врасчетом отношении вертикальная незаанкерованная стенка представляет собой консольную балку, защемленную одним концом в грунте. При отсутствии нагрузки стенка с обеих сторон будет испытывать одинаковое (бытовое) давление, равное естественному давлению в грунтовом массиве. При действии горизонтальной силы стенка изогнется и будет стремиться повернуться вокруг некоторой точки D, расположенной ниже поверхности грунта.

Под действием силы Р стенка стремится повернуться в грунте вокруг некоторой т.D.

При небольшой величине силы Р изогнутая ось балки имеет вид, показанный на рисунке а), причем нижний конец балки не перемещается, а глубина забивки является избыточной. С увеличением силы Р точка вращения D опускается вниз, а ось балки принимает вид (см. рис.).

Можно добиться такого соотношения между величиной силы Р и глубиной забивки, при котором

последняя будет использована полностью, т.е. стенка будет находиться в состоянии предельного равновесия.

Эпюра напряжений в грунте будет иметь вид ; левая и правая ветви этой эпюры вписываются, очевидно, в эпюры неиспользованных пассивных сил y p a , т.к. напряжения в любой забитой

части стенки не могут быть больше сил отпора за вычетом сил распора, действующих в той же точке. Давление грунта на участки стенки в этом случае измениться. Причем закон изменения давления

грунта (закон распределения сил сопротивления) в этом случае точно не известен. Поэтому построение эпюры давления грунта производят исходя из следующих соображений:

1)в точках стенки, не имеющих горизонтальных перемещений не могут возникнуть реактивные силы и давление с обеих сторон остается постоянным и равным естественному давлению в грунтовом массиве (давлению покоя).

2)на участках стенки, испытывающих горизонтальное перемещение, с той стороны куда они направлены давление увеличивается и после уплотнения грунта достигает величины пассивного