Конспект лекций Портовые сооружения

131

давления; с противоположной стороны естественное давление уменьшается до величины активного (минимального) давления1. Таким образам предельная интенсивность сил сопротивления грунта внешнему давлению стенки ℓпр. в каждой точке по глубине определяется разницей пассивного и активного давлений грунта.

Грунт может выдержать разницу между пассивным и активным давлением.

lпр y p a - предельная величина сопротивления грунта(перемещения стенки)

где γ – объемный вес грунта;

y – глубина точки от поверхности грунта.

Для обеспечения устойчивости стенки глубина забивки должна быть такой, чтобы нижний конец стенки оказывал давление на грунт равное ℓпр. при меньшей глубине забивки это давление будет больше ℓпр и стенка окажется неустойчивой, при большей – давление нижнего конца стенки будет меньше ℓпр и сопротивление грунта будет недоиспользовано и стенка, следовательно, будет неэкономична. Это условие и определяет min глубину забивки t min.

Из сказано следует, что эпюра давления грунта на стенку должна очерчиваться по кривой, укладывающейся в границах эпюры предельных сил сопротивления и проходящей через ноль в точке D.

Коэффициенты пассивного и активного давлений при расчете незаанкерованных тонких стенок рекомендуется вычислять без учета сил трения грунта о стенку. Наметив таким путем схему действующих сил мы должны определить глубину забивки t min и max избегающий момент в стенке M

max.

При наличии неоднородного грунта расчет стенки аналитическим методом сильно усложняется в связи с тем стенки обычно рассчитываются графоаналитическим методом, при условии, что при равновесии сил силовой и веревочной многоугольники замкнуты.

Ординаты эпюры вычисляются по формуле: lпрi i hi pi ai

l1 1 h1 p1 a1 l2 1 h1 p2 a2

l3 1 h1 2 h2 p2 a2

Веревочная кривая представляет собой линию изгибающих моментов в шпунте. Чтобы получилась эпюра изгибающих моментов, нужно провести ось эпюры. Ось эпюры называется замыкающей веревочного многоугольника.

Для определения глубины погружения шпунта t0, а следовательно и положения силы Ер

необходимо, чтобы было выполнено еще одно условие:

замыкающая, последний луч (линия веревочной кривой параллельна последнему лучу) и линия отметки погружения шпунте должны пересекаться в одной точке. Это условие при первом расчете, как правил, не выполняется потому, что погружение шпунта в грунт принималось произвольным. Рядом последовательных приближений, заглубляя или, наоборот, поднимая шпунт вверх и корректируя последние силы и лучи, необходимо добиться того, чтобы замыкающая, последний луч и линия

действия силы Ер пересекались в одной точке. Тогда отметка точки их пересечения будет отметкой

погружения шпунта, т.е. укажет величину погружения шпунта t0 без учета дополнительной глубины защемления шпунта ∆ t .

Полная глубина погружения стенки tmin равна

t min = t0 + ∆ t

Максимальный изгибающий момент определяется как произведение полюсного расстояния η на наибольшую ординату ymax

1 Таким образом предельная интенсивность давления грунта на стенку в любой точке по глубине будет равна разности пассивного и активного давлений грунта.

133

y EIМ

дифференциальное уравнение изогнутой оси балки где y - вторая производная от прогиба

M - изгибающий момент EI - жесткость балки

Первая схема а). имеет место тогда, когда моменты сил отпора и активных сил относительно точки закрепления анкера равны. Стенка работает как свободно лежащая (свободно опертая) на двух опорах балки. Одной опорой является анкерная опора в точке А, второй - центр тяжести эпюры отпора грунта перед стенкой. Эпюра моментов однозначна. Смещение нижнего конца стенки обусловлена тем, что отпор грунта в этом случае используется полностью и достигает max значения.

С увеличением глубины погружения стенки смещение ее нижнего конца и давление его на грунт на этом уровне уменьшаются и при некоторой глубине погружения становятся равными нулю (рис. б). В этом случае стенка еще работает как свободно опертая балка и эпюра изгибающих моментов в ней остается однозначной. При дальнейшем увеличении глубины погружения стенки нижний ее конец начинает смещаться в сторону засыпки, что вызывает отпор грунта на этом участке стенки уже со стороны берега, так называемый обратный отпор.

Схема, приведенная на рис. в, соответствует заглублению стенки, когда при данной нагрузке отпор грунта с правой стороны стенки имеет свое предельное значение и стенка защемлена в грунте. В этом случае ее упругая ось имеет перегиб, а эпюра моментов двухзначна. Изгибающий момент в пролете наименьший из трех рассмотренных случаев. Дальнейшее увеличение глубины погружения стенки нецелесообразно, так как отпор грунта слева и справа окажется недоиспользованным, что приведет к увеличению изгибающего момента в пролете стенки (рис.2).

В схеме на рис. а стенка имеет минимальную глубину погружения, но изгибающий момент в пролете максимальной; в схеме на рис. в глубина ее погружения наибольшая (в пределах целесообразного ее значения, но изгибающий момент в пролете стены наименьший; схем анна рис. б соответствует промежуточным значением этих величин.

а) t min, M max

б) промежуточное значение

в) t max, M min

В практике используют все три возможные схемы работы стен. Расчетная схема выбирается в

зависимости от погонной жесткости свай n.

n t

где t – глубина погружения стены, вычисленная в предположении ее полного защемления;

δ' – высота приведенного к прямоугольнику железобетонного элемента стенки ( высота приведенного сечения стенки (сваи)).

где J – момент инерции железобетонного элемента стенки, м в четвертой степени; b – размер элемента стенки в направлении линии кордона, м; ∆ - проектный зазор между элементами стенки, м.

Если n ≤ 0,06, то стенку рекомендуется рассматривать как гибкую и считать как защемленную (схема на рис.в) или полузащемленную (схема на рис.б) в грунте. При n < 0,06 стенку рассматривают как имеющую повышенную жесткость и рассчитывают как свободно опертую (схема на рис.а).

Для свай-оболочек размер b принимается равным их наружному диаметру D, а для таврового шпунта b = bn, т.е. равен ширине полки. Стенки из металлического шпунта и деревянные рассматриваются как гибкие.

Для прямоугольного железобетонного шпунта приведенная высота сечения равна действительной, т.е. δ' = h следует заметить, что больверка из жестких свай не могут быть защемлены грунтом, поэтому рассчитываются по схеме а).

При расчете заанкерованных больверков рекомендуется учитывать сцепление грунта, а также силы трения между стеной и грунтом. Дело в том, что трение мало влияя на величину распора, весьма существенно отражается на значении отпора, увеличивая или уменьшая его в зависимости от направления сил трения.

135

у1 = (1-1,1)у2

Данное положение замыкающей определяет глубину погружения стенки t0, соответствующую защемлению ее в грунте (схема в).

При необходимости построения упругой оси стенки строят эпюру моментов (η·у), приняв которую

вкачестве фиктивной нагрузки и разбив ее на элементарные трапеции, вновь строят силовой и веревочный многоугольники.

Последний луч веревочного многоугольника (луч №14), согласно заданному условию опирания, должен пересекать луч №1 на уровне закрепления анкерной тяги к стенке (т.А”) и быть касательным к веревочной кривой на уровне силы, заменяющей нижнюю элементарную трапецию эпюры моментов

(фиктивной нагрузки). Если это условие не соблюдается, нужно заменить t0 и снова построить эпюру прогибов.

Однако практически точность определения величины t0 по условию равенства моментов вполне достаточна и поэтому построение упругой линии можно не производить, за исключением случаев, когда

восновании сооружений залегают грунты с резко отличными физико-механическими свойствами по сравнению с грунтами засыпки.

Величина силы Е'р находится из силового многоугольника. Она отсекается последним лучом и лучом параллельный замыкающей.

Величина Ra отсекается первым лучом и лучом параллельный замыкающей. Глубина забивки шпунта определяется из выражения

t = t0 + ∆ t

t Ер 2 q р а

Для прикидочных расчетов ∆ t = 0,2 t0

Максимальный изгибающий момент

Мmax ymax – схема а

Мmax y1 – схема в

η– в масштабе сил

у – в линейном масштабе чертежа.

Экспериментальные исследования показали, что получаемые значения изгибающих моментов стенке рассчитанные по изложенной методике несколько завышены.

Для получения более близких к действительным величин изгибающих моментов в стенке вычисленные по методу упругой линии значения их делят на коэффициент значения kсн, принимаемые по таблице

Тогда расчетный момент в стенке будет равен:

М расч М max , kсн

где kсн – коэффициент, учитывающий снижение давления грунта на стенку и принимаемые в зависимости от отношения высоты приведенного сечения свай δ к длине условного пролета: l = h + 0,667to

136

h – высота от точки крепления анкера до дна, м; to – глубина погружения свай, полученная графоаналитическим расчетом, от дна у стенки до точки касания замыкающей нижнего перегиба веревочной кривой.

Лекция № 7

Расчет анкерных опор А. Расчет анкерных опор из вертикальных свай.

Расчет анкерных опор в виде вертикальных свай производится аналогично расчету незаанкерованных шпунтовых стен на действие горизонтальных нагрузок. Основная разница лишь будет заключаться в построении эпюры предельных сил сопротивления грунта внешнему давлению - епр Как вы помните для незаанкерованных стенок интенсивность сил сопротивления епр мы

вычисляем по формуле:

епр y р а

Для анкерных свай формула примет вид:

епр y р а d Kп

d - ширина свайной опоры, короткая стенка

Кп – коэффициент, учитывающий пространственную работу опоры, стенки небольшой протяженности.

В условиях пространственной работы с короткой стенкой (свай) взаимодействуют массив грунта, размер которого в направлении короткой стенки (сваи) больше, чем длина самой стенки (или ширина свайной опоры). Объясняется это наличием в грунте внутреннего трения и сцепления.

Из-за отсутствия точных методов определения дополнительного объема грунта, вовлекаемого в работу, для оценки увеличения устойчивости сваи (короткой стенки) используют приближенный метод,

При сплошном вертикальном анкерном свайном ряде очевидно Кп будет равен 1.0. Дальнейший расчет ведется как и указывалось для незаанкерованных стенок.

Расчет анкерных опор в виде вертикальных стенок или одиночных свай принципиально ничем не отличается от расчета незаанкерованных стенок, нагруженных поверху сосредоточенными горизонтальными силами.

При расчете анкерной стенки прежде всего задаются заглублением ее верха ta и глубиной, погружения t’0. Затем строят эпюры активного и пассивного давлений грунта на стенку. При этом принимают положение временной нагрузки на причале так, чтобы последняя, повышая активное давление грунта на стенку, не вызывала бы в то же время увеличения пассивного давления грунта перед ней (см. рис.).

При этом коэффициенты бокового давления грунта рекомендуется вычислять: λа – при значении угла трения грунта по стенке δ = 0 и λр при δ = 0.333φ.

Передаваемое на единицу длины анкерной стенки расчетное усилие RаI , Н, от анкерного тяжа принимают равным: RаI Rа ky

Где Rа - анкерное усилие, полученное из расчета лицевой стенки, Н

k y - коэффициент запаса, принимаемый равным 1.3-1.5 в зависимости от класса сооружения и

137

Анкерные опоры из одиночных свай рассчитывают с учетом их пространственной работы. Расчетным для них является анкерное усилие

RаII Rа lа ky

Где lа - расстояние между анкерными сваями вдоль линии кордона. Ординаты эпюр нагрузок на сваи определяют путем умножения эпюр для анкерных стенок на ширину свай и коэффициент пространственной работу kп , вычисляемый по формуле (см.выше).

После построения эпюр давлений переходим к построению силового веревочного многоугольников.

Б. Расчет анкерных опор из плит.

На анкерную плиту действуют следующие силы: анкерное усилие Rа, определяемое из расчета лицевой стенки, активное давление грунта со стороны берега Ес и пассивное давление грунта со стороны стенки Ер .

Для обеспечения устойчивости плиты должно соблюдаться условие:

Кн – 1.6 – 2 – коэффициент надежности, (2 в связи с повышенными требованиями к устойчивости анкерных опор).

Формула справедлива для непрерывного ряда анкерных плит. При разрывах между анкерными плитами необходимо учитывать пространственный эффект, поскольку смещению плит будет сопротивляться не только грунт перед плитами, но и между ними.

Для отдельно стоящих плит имеем:

Точку крепления анкера к плите следует принимать так, чтобы равнодействующая Ер – Еа и анкерное усилие Rа действовали по одной прямой. В противном случае плита будет испытывать поворот вокруг горизонтальной оси и плита будет работать как анкерная стенка.

При наличии на территории причала временных нагрузок, анкерные плиты следует рассчитывать с учетом наивыгоднейшего их расположения для устойчивости плит. Это соответствует случаю, когда временная нагрузка, максимально увеличивая активное давление грунт анна плиту, не оказывает влияния на пассивное давление. Расположение равномерно распределенной нагрузки для этого случая показано на рис.

138

При построении эпюр активного и пассивного давлений грунт анна плиты коэффициенты бокового давления его р и а обычно вычисляют без учета трения грунта о стенку, хотя в работе и

допускается р определять при δ = 0.333φ.

Расстояние между лицевой стенкой и анкерной плитой устанавливают так же, как между лицевыми и анкерными стенками, с той лишь разницей, что плоскость выпора в этом случае проводят от подошвы анкерной плиты. Отсюда оптимальное расстояние между лицевой стенкой и анкерной плитой будет равно:

Lпmax hст tg 45 0.5 tп tg 45 0.5

tп - расстояние от поверхности территории до подошвы анкерной плиты.

При более близком расположении анкерной плиты к лицевой стенке поступают аналогично тому, как и при расчете анкерной стенки.

В. Расчет анкерных козловых опор.

Анкерной усилие RА , передаваемое на козловую

опору, вызывает в сваях опоры лишь продольные (осевые) усилия: сжимающие Nc и растягивающие Np. Эти усилия могут быть определены либо графически (см. рис. Б), либо аналитически:

р и с - углы наклона к вертикали соответственно сжатой и растянутой свай.

RА - определяется также как и для одиночных свай.

Расстояние анкерных опор от стенки может быть значительно уменьшено по сравнению с предыдущем случаем. Важно лишь, чтобы сваи той своей частью длины, которая рассчитана на передачу давления грунту не располагалась бы в пределах призмы обрушения.

Небольшой расстояние от стенки, на котором возможна забивка анкерных козел позволяет применять их в условии стесненной территории и в тех случаях, когда имеющиеся постройки не позволяют устанавливать анкерные плиты.

Проверки общей устойчивости больверков:

1.Проверка лицевой стенки на поворот вокруг точки крепления анкера;

2.Проверка общей устойчивости по круглоцилиндрическим поверхностям скольжения;

3.Проверка анкерующей способности грунтового массива.

Лекция № 8

Причальные сооружения с высоким свайным ростверком

Причальные сооружения с высоким свайным ростверком получили широкое распространение как в морском, так и речном портовом строительстве. Их возводят в том случае, если грунты основания допускают погружения свай на требуемую глубину.

При слабых грунтах основания этот тип причальных сооружения является почти единственно возможным, так как сооружения с высоким свайным ростверком и особенно некоторые типы из них (сквозные сооружения) характеризуются сравнительно небольшим весом верхнего строения и малым, а в ряде случаев полным отсутствием распорного давления грунта на них. В связи с этим нагрузки,

139

передаваемые от свайных сооружений на основания, оказываются меньше, чем например, от сооружений гравитационного типа.

Причальные сооружения с высоким свайным ростверком обычно применяются в случаях: А) когда в основании сооружения залегают слабые грунты;

Б) когда на набережную стенку в виде тонкой стенки действует значительный распор грунта, требующий чрезмерной толщины свай шпунтового ряда или слишком большой их длины; В) когда набережные с высоким ростверком экономически более выгодны, чем больверки; Г) когда требуется обеспечить отсутствие отражения волн от сооружения.

Классификация причальных сооружений с высоким свайным ростверком.

Сквозные сооружения являются безраспорными. Они либо совсем не испытывают бокового давления грунта, либо это давление незначительно. Эти сооружения почти не отражают волн и благодаря этому обеспечивают благоприятный волновой режим в порту.

Сквозные сооружения называются эстакадами. Если эстакада примыкает к берегу, то она носит назначение набережной-эстакады, а если расположена под углом к берегу, то причал называется пирсом.

Эстакады, которые примыкают на всем протяжении к ранее построенным мелководным набережным, носят название оторочек.

Набережные стенки являются распорными сооружениями. Они воспринимают горизонтальную нагрузку – боковое давление грунта (распор). С этой целью в набережных стенках устраивается шпунтовый ряд. Он удерживает от обрушения грунт, расположенный между сваями и в тыловой части причала. Если шпунтовый ряд располагается в прикордонной части ростверка, то причальное сооружение носит название набережной с передним шпунтом, а если у задней части ростверка –

набережной с задним шпунтом.

Основные элементы сооружений на сваях.

Причальные сооружения на свайном основании состоят из отдельных заглубленных в грунт опор и верхнего строения.

Опоры (свайное основание) воспринимают нагрузки от верхнего строения и передают их на грунт. Они выполняются в виде свай-оболочек или других типов свай (из дерева, металла или ЖБ). Глубина погружения опор зависит от грунтов основания и нагрузок на причал.

К сваям относятся опоры, имеющие диаметр до 2 м, к колоннам - опоры большего диаметра. Верхнее строение (ростверк) омоноличивает верхние концы опор. В результате получается

пространственная рамная система из свайного основания и ростверка. Ростверк воспринимает действующие на причал внешние нагрузки и распределяет их между опорами. В зависимости от конструкции и материала он может быть гибким или жестким. Ростверк выполняется в виде плит, ригелей, балок из ЖБ.

140

1 – сваи;

2 – шпунт;

3 – ростверк;

4 – надстройка

Свайные основания сооружений возводят из деревянных, металлических и железобетонных свай. Деревянные сваи морозоустойчивы, долговечны под водой, легко переносят

ударные и вибрационные нагрузки как в процессе возведения сооружений, так и в период их эксплуатации, относительно дешевы. Однако рост глубин у причалов и нагрузок на них, обусловленный увеличением грузоподъемности судов, ведет к сокращению использования деревянных свай в портовом строительстве из-за ограниченности их длины и площади сечения.

Наиболее широкое применение получили сваи из железобетона. Железобетонные сваи выполняют, как правило, из предварительно напряженного железобетона марки 300 и выше. Достоинством железобетонных свай является их большая по сравнению с деревянными сваями несущая способность. Если деревянные сваи могут воспринять вертикальное усилие 250—-300 кН, то железобетонные призматические сваи—600—800 кН, а сваи-оболочки диаметром 1,2—1,6 м до нескольких меганьютонов. Большая жесткость свай-оболочек позволяет передавать на них и значительные горизонтальные усилия, в связи с чем можно уменьшить общее число свай в сооружении, увеличить их шаг и отказаться в ряде случаев от применения свай, погружаемых наклонно. Преимуществом железобетонных свай является также то, что их можно доводить до отметки расположения ростверка независимо от возвышения его над уровнем воды (верх деревянных свай располагают не выше границы гниения дерева).

К недостаткам железобетонных свай относятся: их повышенная чувствительность к ударным и вибрационным нагрузкам, что ведет к появлению трещин в бетоне, коррозии бетона и арматуры и в конечном итоге к разрушению свай; недостаточная стойкость против коррозии в зоне переменного уровня воды в суровых климатических условиях; их значительная масса, в связи с чем требуется тяжелое оборудование для их транспортирования и погружения в грунт.

Характеристики ЖБ свай.

Призматические ЖБ сваи Размеры 30 х 30 см до 45 х 45 см;

Несущая способность 70-80 т (700-800 кН) со специальным уширением до 100 – 120 т( 10001200 кН). Сваи-оболочки Размеры Ø 60 – 160 см

Несущая способность до 400 – 500т (4000-5000 кН)

Недостатки свай-оболочек – сваи тяжелые, из предварительно напряженного ЖБ, морозостойкого с маркой не ниже М-350 – это ведет к удорожанию.

Металлические сваи, которые в последнее время начинают получать широкое распространение, выполняют из стальных труб, шпунтов, двутавров, рельсов и прокатных профилей.

Трубчатые сваи изготовляют из труб диаметром 250—2000 мм с толщиной стен 10—16 мм и более. Иногда толщину стен делают переменной по высоте в соответствии с действующими в свае усилиями. В зависимости от грунтовых условий концы трубчатых свай оставляют открытыми, снабжают острием или закрывают пробками. Для повышения несущей способности концы металлических свай иногда снабжают винтом (винтовые сваи) или различными открылками в основном из прокатных профилей. Винт имеет 1—1,5 витка и диаметр, равный двум—четырем диаметрам свай.