Конспект лекций Портовые сооружения
.pdf
141
Стальной шпунт используют для создания коробчатых свай, образуемых путем сварки по всей длине двух или более шпунтин коробчатого профиля или приварки к ним металлических листов.
Металл сваи хорошо работает как на растяжение, так и на сжатие; они не поддаются вредному воздействию вибрации и ударов, с помощью сварных и болтовых соединений обеспечивается сборка свай любой длины.
Характеристики металлических свай.
Трубчатые сваи Ø 250 – 2000 мм, толщина стен 10 – 20 мм и более. Коробчатые сваи в России из 2-х шпунтин типа «Ларсен».
1. Набережные стенки.
Свайное основание состоит из одиночных вертикальных и наклонных свай, а также переднего или заднего шпунтового ряда. Шпунтовый ряд может быть ненесущим и несущим.
Шпунтовый ряд является ненесущим, если он предназначен только для удержания грунта от обрушения, т. е. воспринимает распор грунта. Если же шпунтовый ряд, помимо функции по удержанию грунта от обрушения, воспринимает вертикальные нагрузки, передавая их на грунт основания, то он является несущим. В этом случае шпунтовый ряд работает на изгиб и на продольное сжатие.
Верхнее строение выполняется из сборных или монолитных железобетонных плит.
Подпричальный откос образуется из камня и щебня. Устраивается только в набережных с задним шпунтовым рядом.
Засыпка образуется песчаным грунтом, камнем и щебнем; устраивается за шпунтовым рядом. Набережная с передним шпунтом изображена на рисунке слева. Передний шпунтовый ряд выполнен
из железобетонных свай. В железобетонном шпунте имеются пазы и гребни, уплотненные рейками для предотвращения вымыва грунта засыпки через щели между шпунтинами. Вместо железобетонного шпунта может использоваться металлический.
Кроме шпунтового ряда в основании находятся отдельные железобетонные вертикальные сваи, а также козловые, воспринимающие горизонтальные нагрузки. Шаг отдельно стоящих свай в продольном направлении равен 1,5 м.
Железобетонный ростверк представляет собой монолитную ребристую плиту. Ригели опираются на сваи и на шпунтовый ряд.
Врассматриваемой конструкции отсутствует каменная призма. Благодаря наличию переднего шпунтового ряда конструкция имеет минимальную ширину и обладает повышенной сопротивляемостью ледовым нагрузкам и другим неблагоприятным воздействиям. Недостатком конструкций является полное отражение волн лицевой стенкой.
Внабережной с задним шпунтовым рядом сплошная стенка располагается в тыловой части причала (см. рис. справа). Шпунтовый ряд выполнен из железобетонных свай. За шпунтовым рядом имеется
142
каменная призма с обратным фильтром. Призма служит для уменьшения бокового давления грунта на стенку и обеспечения грунтонепроницаемости. В конструкции присутствуют наклонные сваи,
которые совместно со шпунтовым рядом образуют козловые опоры, придающие конструкции поперечную жесткость. Кроме наклонного ряда-свай, имеются четыре продольных ряда вертикальных, отдельно стоящих свай, воспринимающих вертикальные нагрузки. Сваи изготовлены из предварительно напряженного железобетона. Для предотвращения возможного размыва подпричального откоса устроена каменная наброска с уклоном 1 : 2.
Преимуществом набережной с задним шпунтовым рядом является способность гасить волнение, возникающее на акватории порта, а также меньшая высота шпунтового ряда, что сказывается на стоимости.
В набережных с задним шпунтовым рядом существует возможность повреждения отдельно стоящих свая в тяжелых ледовых условиях. Окончательный выбор производится на основе техникоэкономического сравнения вариантов.
2. Сквозные сооружения.
Причальные сооружения эстакадного типа.
В последние годы наиболее широкое распространение получили причальные сооружения эстакадного типа на сваях-оболочках диаметра 1.2-1.6 м.
Оболочки образуют продольные и поперечные ряды свайного основания. Верхнее строение состоит из ригелей, плит верхнего строения и бортовых балок.
Подпричальный откос создается песчаным грунтом, щебеночным контрфильтром и каменной призмой.
Тыловое сопряжение выполняется из балок уголкового профиля. За балками отсыпается камень и щебень.
Различают следующие типы набережных-эстакад на сваях-оболочках:
А) набережная эстакада на сваях-оболочках с верхним строением из плит (без ригельная система); Б) набережная эстакада с поперечно-ригельной системой; В) набережная эстакада с продольно-ригельной системой.
Эстакада на оболочках диаметром 1.6 м с продольно-ригельной системой (см рисунок ниже) состоит из пяти типов унифицированных элементов: оболочек, ригелей, двухребристых плит верхнего строения, бортовых балок и плит перекрытия потерн.
Основание сооружения состоит из трех продольных рядов опор.
143
1 — сваи-оболочки с продольным шагом 16 м в крайних рядах и 8 м в среднем ряду; 2 — панели; 3
— ригели; 4 — уголковая железобетонная стенка; 5— бетонный нащельник.
Сваи-оболочки для сооружений рассматриваемого типа выполняют как из предварительно напряженного, так и ненапряженного железобетона. Сваи-оболочки из ненапряженного железобетона иногда устанавливают в прикордонные ряды, несущие большую вертикальную нагрузку. Шаг опор в продольном направлении принят равным 8 и 16 м. Ригели, являющиеся основным несущим элементом верхнего строения, выполняют из предварительно напряженного железобетона.
Основное достоинство сооружений этого типа — наличие продольных ригелей, воспринимающих большие сосредоточенные усилия от подвижной нагрузки, что в условиях специализации причалов (например, причалов для погрузки угля и руды) определяет прогрессивность этой конструкции. При этом сохраняются сборность сооружений, достигающая 70—80%, и возможность использования унифицированных элементов, изготовляемых на специализированных заводах, что повышает качество их выполнения. Недостатком является применение ребристых плит перекрытия, образующих замкнутые, плохо проветриваемые полости в нижней части верхнего строения, вследствие чего происходит застой водяных паров под перекрытиями, что ведет к коррозии бетона и арматуры. В дальнейшем конструкция должна быть проверена при эксплуатации, а выявленные недостатки устранены в процессе ее доработки.
Общие положения по проектированию и расчету сооружений с высоким свайным ростверком.
При проектировании причальных сооружений с высоким свайным ростверком в общем случае производится:
1.Выбор конструктивной схемы сооружения и назначения предварительных его размеров;
2.Выделение основной несущей системы сооружения и определение нагрузки на нее;
3. |
Выбор расчетной |
схемы сооружения (несущей системы) и его статический расчет; |
4. |
Расчет прочности, деформаций и общей устойчивости сооружения и его отдельных элементов. |
|
1 – производят с учетом технологических требований и местных условий, руководствуясь указаниями нормативных документов, а также по аналогии с существующими сооружениями, эксплуатируемыми в аналогичных условиях.
2 – при этом учитывают, что причальное сооружение разделяют по длин на отдельные секции температурно-осадочными швами. Длину секции принимают 25-45 м в зависимости от геологических условий, материала сооружения, числа причальных тумб и т.д. При этом причальные тумбы располагают либо в центре секции, либо по краям симметрично центру.
Расчет причальных сооружений производят с учетом пространственной работы конструкции или сводят к решению плоской задачи.
Расчеты сооружений как пространственных систем соответствует их действительной работе и дает наиболее точные результаты. Однако в настоящее время подобные методы расчетов разработаны лишь отдельных типов сквозных сооружений (наиболее простые схемы пирсовые и тд.). В связи с этим допускается при расчете причальных сооружения на сваях рассматривать плоскую задачу.
Основную несущую систему выделяют в зависимости от характера свайного основания сооружения, конструкции его верхнего строения, жесткости сопряжения его отдельных элементов. Так, в сооружениях с поперечно-ригельной системой в качестве основной несущей системы выделяют поперечную раму, в сооружениях с продольно-ригельной системой – раму продольную. Нагрузки на рамы собирают с соответствующего им участка верхнего строения.
3 – Ростверки сооружений в зависимости от их жесткости подразделяются на три категории: жесткие, гибкие, нежесткие. Расчет каждого типа ростверка имеет свои особенности.
К жестким относятся ростверки из бетона или малоармированного железобетона, сильно развитые в высоту. Деформации жестких ростверков так малы по сравнению с деформациями свай, что ими можно пренебречь. Это значительно упрощает расчет, который сводится к расчету рамы с упругими стойками и абсолютно жестким ригелем в предположении, что грунт основания не оседает вообще или оседает под всеми опорами одинаково (методы Герееванова, Зарембо-Владычанского).
144
Расчет рамы сводится к решению 3-х уравнения с 3-мя неизвестными, что существенно облегчает расчет.
К гибким относятся ростверки из нормально армированного железобетона, которые имеют малоразвитое в высоту сечение, в связи с чем деформации ростверка соизмеримы с деформациями свай (таким образом деформации ростверка влияют на деформации свай и наоборот). Расчет свайных сооружений с таким ростверком сводится к расчету рамы с упругим ригелем и упругими стойками при учете деформации ростверка, свай и грунтов основания
Расчет рамы сводится к решению (2n+1) уравнений, где n- число узлов в раме.
По Смородинскому для сооружений на ЖБ призматических сваях подразделение ростверков на гибкие и жесткие может быть произведено на основании оценки соотношения сторон поперечного сечения ростверка, приведенного к прямоугольнику.
b 4.3 - жесткий
hпр
Где b – ширина ростверка hпр - приведенная высота
b |
7 - гибкий |
E J р |
10 |
||
hпр |
E J |
св |
|||
|
|
||||
Ростверки на сваях-оболочках в подавляющем большинстве относятся к гибким.
К нежестким относятся все деревянные ростверки. Их расчет производят как расчет статически определимых систем по отдельным элементам, и трудности не представляется.
Метода расчета сооружений на свайном основании зависит не только от жесткости ростверка, а также от заделки свай в ростверке и грунтах основания.
Заделка свай может быть принята по трем возможным схемам: А) жесткая заделка свай в грунте и ростверке; Б) жесткая заделка свай в грунте и шарнирная в ростверке; В) шарнирная заделка свай в грунте и ростверке.
По первой схеме рассчитывают жесткие и гибкие ростверки. Она соответствует фактической работе конструкций. В тех случаях, когда пренебрежение заделкой свай не приводит к большим погрешностям, принимают вторую схему.
По третьей схема рассчитывают сооружения на деревянных сваях. Расчет гибкого ростверка с заделкой свай в грунте и ростверке относится к наиболее трудоемким, поэтому выполняют его на ЭВМ по программам расчета рам методом деформаций.
На основании опыта проектирования некоторые авторы дают следующие рекомендации:
Схема А – сооружение на ЖБ призматических сваях, имеющих в своем составе полные козлы с расчетной длиной свай Lр 9 10м ,а для сооружений с полукозлами (одна свая наклонная, одна
вертикальная) – при всех длинах свай.
Схема В – сооружения на деревянных сваях, а также на ЖБ, имеющих в своем составе полные козлы с
Lр 9 10м .
За расчетную длину свай при расчете сооружений на свая обычно принимают расстояние между закреплением свай в ростверке и опорой ее в грунте.
Определение положения опоры сваи в грунте представляет значительные сложности, т.к. зависит
Гибкий ростверк
Жесткий и нежесткий ростверк
Начало сваи на уровне низа ростверка Начало сваи на уровне
расположения нейтральной оси
от ряда факторов: свойств грунтов основания, заложения откоса, жесткости сваи и т.д. Для свай,
145
опирающихся на скалу, прикрытую небольшим слоем рыхлых отложений (сваи-стойки) положение опоры принимают на отметке поверхности скалы (в данном случае шарнир).
Для высячих свай защемление свай в грунте определяется по следующим рекомендациям: СНиП – II-17-17 - (4.5-8)d , где d – диаметр сваи
Антонов, Майерсон (для деревянных и ЖБ призматических свай) – (0.2-0.3)t , где t – глубина погружения сваи в грунт, не менее 5 м.
Лубенов (для свай-оболочек) – 0.3t – при φ≥26
- 0.5t – при φ<26
Некоторые особенности расчета элементов сооружений с высоким свайным ростверком
1. Определение распределения горизонтальной нагрузки на сваи сооружений сквозного типа. Горизонтальные нагрузки, действующие на расчетную секцию сквозного причального
сооружения, если они приложены несимметрично относительно осей симметрии секции ростверка (ось перпендикулярная или параллельная линии кордона и проходящая через середину секции) или если несимметричным является свайное поле секции, вызывают не только горизонтальное смещение, но и поворот всей секции относительно некоторого центра, который называется «упругим центром». Упругий центр расположен в точке, при прохождении через которую равнодействующая всех горизонтальных сил вызывает только горизонтальное смещение секции причала и секция не будет иметь деформации кручения (угол поворота секции φ будет равен нулю).
Но в действительности, вследствие асимметрии приложения нагрузок или расположения опор, будет поворот секции на некоторый угол φ. Благодаря вращению секции происходит перераспределение горизонтальных усилий в опорах, в результате чего сваи, наиболее удаленные от упругого центра, оказываются более нагруженными, т.е. в этих сваях возникает максимальные горизонтальные реакции и задача сводится к определению их величин.
Упругий центр
Для определения горизонтальных усилия в сваях прежде всего находят положение упругого центра.
φ – угол поворота ростверка в радианах
|
М |
6 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
2 |
2 |
|||||||
|
||||||||
|
Нxi yi |
Нyi xi |
|
|||||
Зная угол поворота ростверка, легко получить горизонтальные усилия во всех сваях:
Н xi Н xi N yi
Н yi Н yi Т xi
«+ » - когда перемещение свай совпадает с направлением действия соответствующей силы;
«- » - в противном случае.
146
Нxi ; Н yi - соответственно горизонтальное усилие в i-ой свае, нормально к линии кордона и
направлению |
вдоль |
линии |
кордона; |
||||||||
xi ; yi |
|
|
- координаты i-ой сваи относительно нового центра (упругого центра); |
|
|||||||
N ;Т |
- действительные перемещения голов свай (ростверка) по направлению действия сил N и Т. |
||||||||||
N |
|
|
|
N |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
H xi |
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
||||||
Т |
|
|
|
N |
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
H yi |
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
Просуммировав величины |
горизонтальный |
составляющих Н xi всех свай, |
входящих в один |
||||
поперечный ряд, определяют горизонтальную составляющую швартовной нагрузки, действующую на один поперечный ряд, нормальную кордону.
N расч Нxi
2.Расчет набережных стенок.
Тонкие стенки свайных набережных в основном аналогичны заанкерованным больверкам. Некоторые особенности их расчета заключаются в построении эпюр давления грунта на стенки.
А) Набережная стенка с передним анкером.
Изменение давления грунта на стенку в этом случае по сравнению с его давлением на обычные заанкерованные больверки обусловлено наличием за стенкой вертикальных или наклонных свайных рядов. Сваи, проходя через призму обрушения грунта за стенкой, воспринимают часть давления на себя, уменьшая тем самым давление на последнюю. Они как бы экранируют стенку.
Наличие экранирующей плоскости приводит к тому, что грунт, расположенный между стенкой и этой плоскостью, находится в условиях, аналогичных состоянию сыпучего тела в силосах. Давление его на стенку в этом случае определяется по формуле Янсена:
|
|
|
F |
|
|
1 |
а |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
1 |
е |
|
|
|
f U |
|
|||||
|
x |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
f y
Где - объемный вес засыпки;
F – площадь поперечного сечения силоса (банки); U – внутренний периметр силоса (банки);
f – коэффициент трения грунта о стенку равный tg φ;
а - коэффициент горизонтальной составляющей активного давления грунта
а |
tg |
2 |
|
|
|
|
|
45 |
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
|
y – рассматриваемое сечение от поверхности грунта в силосе;
UF - гидравлический радиус поперечного сечения силоса.
Впроектной практике часто используют приближенные методы построения этих эпюр, которые при углах φ = 25 - 350 дают достаточно точный результаты (по сравнению с решением Янсена).
Построение эпюр давления грунта начинают с определения местоположения экранирующей плоскости одним из графических построений.
147
Сечение свай неизвестно.
Через оси проводят по две линии под углом α = 90 – φ. Положение центра тяжести треугольников определяет положение экранирующей плоскости.
Далее из точки А поводят линию обрушения грунта АВ (под углом 45- φ/2) до пересечения ее с расчетной
плоскостью стенки. Давление грунта на участке АВ нарастает по линейному закону и достигает в
точке В |
значения |
аВ y а |
где |
||
|
45 |
|
|
этой точки |
из-за |
y l ctg |
2 |
. Ниже |
|||
|
|
|
|
|
|
влияния |
экранирующей |
плоскости давление |
|||
грунта остается постоянным и равным аВ .
Сечение свай известно.
Линии под углом 90 – φ проводят не через оси, а таким образом, чтобы они касались контура сечения свай.
Экранирующая плоскость в этом случае располагается посередине между осью продольного ряда свай и линией, проходящей
148
через вершин зубцов треугольников. До точки В1 давление грунта определяется как и в предыдущем случае. Ниже точки В1 давление убывает по линейному закону.
Нулевое значение давления расположено на уровне точки В1 , то есть в точке пересечения расчетной
плоскости стенки с экранирующей плоскостью. Ограничив эпюру активного давления грунта на уровне при шпунтовой стенки, получают окончательно ее очертание. Если шпунтовая стенка имеет наклон в сторону засыпки, то эпюру активного давления грунта строят на ее вертикальную проекцию.
Дальнейший расчет шпунтовой стенки производят так же, как и расчет обыкновенных заанкерованных больверков.
Б) Набережная стенка с задним шпунтом.
Наличие свай перед шпунтовой стенкой приводит к увеличению пассивного сопротивления
грунта. В связи с тем, что закон увеличения пассивного сопротивления грунта выпиранию в этом случае неизвестен, учет этого увеличения производят, используя искусственный прием – расчет условного дна, то есть эпюра пассивных сил строится не от фактической отметки дна, а от условной, лежащей на откосе грунта основания, принимая условное дно горизонтальным.
Положение отметки условного дна определяется точкой пересечения экранирующей плоскости ближайшего свайного ряда с поверхностью грунтового откоса.
149
Если грунтовый откос перед стенкой укреплен каменной отсыпкой, то ее учитывают как нагрузку на поверхности условного дна. Интенсивность этой нагрузки равно к Нк . Отметку высоты каменной пригрузки Н к определяем точкой пересечения экранирующей плоскости ближайшего
свайного ряда с поверхностью каменной отсыпки. Построив эпюру пассивного давления грунта, определяющее его автивное давление со стороны засыпки. Дальнейший расчет стенки производят так же, как обычных шпунтовых стенок.