Конспект лекций Портовые сооружения

61

При глубине перед сооружением d<2h1% коэффициент krun необходимо вычислять по формуле

Коэффициент kα, учитывающий угол подхода волн к откосу, следует принимать по таблице 4.8.

Коэффициенты, учитывающие шероховатость kr и проницаемость откоса kp, а также коэффициент, учитывающий скорость ветра kw, необходимо принимать по таблицам 4.9 и 4.10.

Масса элемента крепления откоса

При проектировании сооружений откосного профиля и креплений откосов из камня, обыкновенных или фасонных бетонных или железобетонных блоков массу отдельного элемента, соответствующую состоянию его предельного равновесия на откосе при действии ветровых волн, следует определять:

- при расположении камня или блока на участке откоса от верха сооружения до глубины z= 0,7h1% по формуле:

где m - масса элемента крепления откоса, т; α0 - коэффициент устойчивости (α0=2,1); kfr - коэффициент формы элемента; ρm - плотность материала укладки (камень, бетон), т/м3; ρ - плотность воды, т/м3; h1% -

высота волны однопроцентной обеспеченности; - средняя длина высоты, м; ctgφ - заложение откоса

(1≤ctgφ≤3).

При укладке фигурных блоков коэффициент kfr=0,006, при наброске бетонных блоков kfr=0,021, при каменной наброске kfr=0,025.

Массу элементов крепления откосов при действии волн, подходящих под уголом α к

62

где α – угол между лучом исходных волн и нормалью к оси сооружения, град; m – масса элемента крепления откоса при фронтальном проходе волн, т.

63

1-подводная стенка

2-подводная стенка (надстройка)

3-парапет

4-плита

5-каменная постель

6-обратный фильтр на песчаном основании

7-берменный массив

8-гребень волны

9-берма Допуск при весьма тщательном волнении составляет ±3см.

Гравитационные оградительные сооружения вертикального типа в общем случае состоят из подводной стенки, надводной стенки (надстройка) и каменной постели.

При проектировании вначале назначаются предварительные размеры, которые затем корректируются в процессе расчета. Одним из основных размеров гравитационных оградительных сооружений вертикального типа являются: возвышение верха сооружения над расчетным уровнем, ширина вертикальной стенки и ширина каменной постели. Верх подводной стенки сооружений принимается на 0,6м выше строительного горизонта. В этом случае насухо бетонируется надстройка. В качестве строительного горизонта принимают: для безливных морей – средний уровень за 10 лет; для приливных морей – средний приливный горизонт.

Надстройка состоит из плиты и парапета, составляющих одно целое.

Минимальная толщина плиты составляет 1,5 – 2,0м. Отметка верха парапета принимается на 0,5м выше отметки гребня стоячей волны при наивысшем горизонте, в том случае, когда не желают по каким-либо соображениям допускать перелив воды через парапет.

Ширина парапета принимается по конструктивным соображениям от 1,5 до 2,5м, высота парапета колеблется в пределах от 2,5 до 3,5м и выше.

В простейшем случае парапет представляет собой вертикальную стенку прямоугольной или ступенчатой формы. Из-за недопустимости переплескивания волн (наличие причала с тыловой стороны и тому подобное) лицевой грани парапета придают криволинейное очертание, способствующее отражению всплесков в сторону моря. Если перелив воды через оградительное сооружение допускается, он может быть возведен не на всю высоту или вообще отсутствовать. Если парапет сместить от лицевой грани сооружения, то удар волны на подводную и надводную части оградительного сооружения произойдет неравномерно, что приведет к уменьшению волнового воздействия.

Ширина вертикальной стенки В предварительно назначается равной (0,8 – 1,0)Нд, где Нд – глубина у сооружения (до дна). При воздействии разбитых волн ширину стенки увеличивают обычно до1,2 Нд. Каменную постель в гравитационных оградительных сооружениях устраивают, как правило, при любых грунтах. Исключением может служить ряжевая конструкция при скальном основании, когда ряж «прирубается» по очертанию дна.

Основное назначение постели в основании оградительного сооружения – обеспечить большую равномерность распределения давления на поверхности естественного основания, уменьшить его

64

величину и предохранить грунты от размыва под подошвой стенки и в непосредственной близости от стенки. Кроме того, постель позволяет выровнять поверхность дна, что необходимо для возведения стенки.

При скальных грунтах служит только для выравнивания поверхности дна и минимальную толщину 0,5м, а в случае использования мешков с бетоном даже 2,5м. Мешки из прочной, но не очень плотной материи заполняют примерно на 2/3 пластичным бетоном и укладывают, соблюдая перевязку швов между ними.

При сжимаемых, но достаточно плотных грунтах основания, минимальную толщину каменной постели принимают для глины 1,5-2,0м и для песков – 1-1,5м, включая обратный фильтр из щебня или гравия толщиной 0,5м с целью предотвращения вымывания частиц из-под постели (вынос частиц фильтрационным потоком в песчаных грунтах называется суффозией). Обратный фильтр не позволяет песку вырваться из-под постели.

Наиболее простым решением является расположение постели выше поверхности дна моря. Однако при этом следует иметь в виду, что с уменьшением глубины воды над бермой стенка может подвергнуться удара разбитых волн, что потребует увеличения ширины сооружения. В этом случае может оказаться более экономичным расположение постели в заранее разработанном котловане, если к тому же у стенки предусмотрена швартовка судов. Иногда в этих условиях возможно применение промежуточного типа постели.

Типы каменных постелей на слабых грунтах.

Очень часто в основании портовых гидротехнических сооружений залегают слабые илистые грунты. Если илистые грунты залегают с поверхности на глубину до 6-8м и подстилаются более плотными грунтами (песок, глина и другие), то целесообразно илистые грунты удалить черпанием и заменить их песчаным грунтом.

Однако очень часто слой илистых грунтов имеет большую мощность – иногда 15-20м и более. В этом случае их замена технически трудноосуществима и экономически нецелесообразна. Возведение оградительных сооружений на илистых грунтах без специальной подготовки основания приводит к недопустимо большим осадкам и авариям.

Для успешного строительства оградительных сооружений на слабых илистых грунтах необходимо произвести его искусственное уплотнение (консолидацию). Консолидацию слабых илистых грунтов производят чаще всего с помощью песчаных дрен-свай, погружаемых помощью обсадной трубы, заполненной крупнозернистым песком, и вибропогружателя. После погружения трубы на нужную глубину ее извлекают, оставляя в грунте сваю-дрену, через которую из илистого грунта отжимается вода и таким образом уплотняется грунт. После устройства дрен обязательно отсыпать песчаную подушку.

Песчаные дрены располагают по квадратной или треугольной сетке с расстоянием между ними l=2,5 –

3,5м.

65

При устройстве песчаных дрен расходуется дополнительно некоторое количество песка, в связи с чем в последнее время появились предложения по устройству дрен более экономичной конструкции; это могут быть синтетические, бумажные, либо фетровые дрены.

Ширина каменной постели при любых основаниях слагается из ширины стенки и бермы со стороны моря и акватории. Ширина бермы с морской стороны назначается 0,6 от ширины стенки, но не менее 6м, а со стороны акватории – 0,4 от ширины стенки, но не менее 3м.

Уклоны откоса каменной постели зависят от крупности камня и величины волновых донных скоростей, и составляют 1:2 – 1:3 для наружного и 1:1,5 – 1:2 для тылового откосов.

Бермы с морской стороны покрывают берменными массивами для защиты от растаскивания камня волной (за счет оных волновых скоростей) и размыва основания. С тыловой стороны берменные массивы укладывают лишь в голове мола (от дифрагированных волн).

Для морских условий вес массивов принимают равным 40 – 50т. Высоту принимают обычно не менее 1,0м (равную высоте ступени каменной постели), ширину 2м, длину принимают обычно 6 – 7м, равной ширине бермы (высота берменного массива ≈0,25h1%).

Классификация гравитационных оградительных сооружений вертикального типа (по конструктивным особенностям).

1.Сооружения из кладки бетонных массивов.

Оградительные сооружения из кладки бетонных массивов нашли широкое применение в практике мирового портостроения. Массивы могут быть обыкновенными массой до 300т, циклопическими массой до 450т, целлюлярными (ячеистыми) массой до 200т.

а). Сооружения из обыкновенных массивов строились еще в прошлом столетии в России. Оградительные сооружения такого типа в портах Поти, Одесса и других эксплуатируются и до настоящего времени.

Наиболее целесообразная форма бетонных массивов – параллелепипед. Размеры массива должны быть таковы, чтобы его высота не была больше, чем ширина. Длина массива не должна быть больше его трехкратной высоты. Для увеличения монолитности стенки укладку массивов ведут с перевязкой швов (по аналогии с кирпичной кладкой) в поперечном и продольном направлениях. При проектировании нужно стремиться к возможно меньшему числу типов массивов (3 – 4 типа). Для снижения неравномерности осадок, а следовательно уменьшения деформаций кладки и надстройки сооружение по длине разбивают вертикальными температурно-осадочными швами шириной 5см на отдельные секции, длина которых в зависимости от геологических условий принимается от 25 до 40см – чем хуже грунты, тем короче длина секции.

Достоинства: надежны в эксплуатации, долговечны, просты в изготовлении и возведении.

Недостатки: очень долго строятся, сооружения обладают повышенной чувствительностью к неравномерным осадкам основания, отдельные массивы не связаны между собой (в результате возможен сдвиг одной части стенки по другой и даже выбрасывание массивов из стенки), при строительстве требуется большой объем водолазных работ, большой расход бетона, стоимость основания составляет 30 – 20% от стоимости всего сооружения, высокая стоимость сооружения в целом.

б). Сооружения из циклопических массивов.

66

Сооружения из циклопических массивов отличается от кладки обыкновенных массивов в основном своими размерами и массой, достигающей 450т, что требует мощных плавучих кранов для их подъема и транспортировки. Укладывают циклопические массивы столбами без перевязки швов. Характерным примером таких сооружений является мол в Катании. Правда, из-за недостаточного коэффициента запаса на сдвиг верхних курсов массивов, он был разрушен.

В настоящее время в циклопических массивах оставляют вертикальные колодцы, а по бокам массивы снабжают вертикальными выступами и пазами. После укладки массивов в колодцы вставляют жесткие каркасы (из рельсов ли швеллеров) на всю высоту сооружения и заполняют их бетоном, после чего колодцы превращаются в мощные шпонки.

Оградительные сооружения такого типа имеют ряд преимуществ перед сооружениями из обыкновенных массивов:

-благодаря большому весу массивов возможность повреждения незаконченного сооружения в процессе строительства сводится к минимуму;

-вследствие сокращения числа операций по установке массивов значительно снижается стоимость строительства и сроки;

-возрастают монолитность и прочность сооружений.

Наряду с этим следует иметь в виду, что при повреждении или аварии оградительного сооружения из циклопических массивов перекладка связанных между собой массивов практически невозможна. Эти и другие недостатки не позволили этому типу сооружения получить широкое распространение.

в). Сооружения из целлюлярных (ячеистых) массивов.

67

В начале нашего столетия (1910г.) итальянские инженеры предложили использовать целлюлярные массивы, которые представляют собой полые бездонные ящики массой 100 – 200т длиной, равной ширине волнолома, со стенками толщиной 0,7-1м. Ящики устанавливают на каменную постель отдельными столбами без перевязки швов и заполняют бетоном, реже камнем.

Увеличенные габариты целлюлярных массивов, способствующие ускорению темпов и сокращению сроков строительства, надежное омоноличивание (заполнение всех ящиков по высоте бетоном) и другое составляют очевидные достоинства этих сооружений. Однако сравнительно малая масса (вес) на единицу объема сооружения из незаполненных и еще не омоноличенных массивов, подвергающихся опасности быть разрушенными штормами в процессе возведения, невысокая прочность стенок и другие недостатки не способствовали широкому распространению и этого типа волнолома.

2.Сооружения из массивов-гигантов.

Массивы-гиганты представляют собой тонкостенные, как правило, железобетонные ящики (понтоны) с достаточной плавучестью и остойчивостью на воде, изготовленные на берегу, буксируемые на плаву и погружаемые с помощью заполнения водой через кингстоны на место установки на заранее подготовленное основание и заполняемые потом материалом, обеспечивающим ему достаточную устойчивость при действии на него штормового волнения.

Сооружения из массивов-гигантов отличаются между собой профилем поперечного сечения, материалом засыпки и некоторыми другими признаками. Профиль массива-гиганта имеет существенное значение при решении вопросов строительства оградительного сооружения этого типа.

а). Трапецеидальная форма

Трапецеидальная форма массивов гигантов более сложная при возведении, однако обеспечивает большую устойчивость сооружения (за счет снижения напряжений под подошвой благодаря уширению последней). Однако при такой форме массива-гиганта между берменными массивами и стенками ящика остаются клиновидные полости. При воздействии волн, особенно разбитых и прибойных, внутри полости развивается высокое давление и берменные массивы сдвигаются в сторону моря до 1,5-2м (порт Туапсе), что может привести к размыву постели и разрушению сооружения.

б). Прямоугольная форма

68

Примечание [Ф. В.8]: огр соор мое

Прямоугольная форма массивов-гигантов является простейшей и наиболее рациональной и экономичной, позволяет применять при возведении недорогую скользящую опалубку.

в). Прямоугольный профиль с консольными выступами

Прямоугольный профиль с консольными выступами проще в изготовлении по сравнению с трапецеидальным и более устойчив по сравнению с прямоугольным ящиком и поэтому является наиболее предпочтительным.

Длину массивов-гигантов принимают равной 20-25м, но не более трехкратной высоты. Для придания массивам-гигантам большей жесткости внутри ящика устраивают поперечные и продольные переборки, делящие понтон на ряд отсеков (ячеек) с размерами вдоль массивов-гигантов – 3-4м и поперек – 4-5м.

Толщина внешних и внутренних стенок массивов-гигантов, а так же его днища определяется расчетом и составляет у наружных стенок 25 – 45см (max до 75см), днища 40 – 60см (max до 90см), внутренних стенок 15 – 20см. Между смежными ящиками при возведении оставляют зазор 20 – 25см, обеспечивающий свободное развитие возможных неравномерных осадок и наклонов массивов-гигантов без взаимного соприкосновения, что полезно также ля замены поврежденного массива. Стык должен быть заделан, так как в противном случае при волнении здесь образуются сильные ток воды, которые могу вымыть камень из-под массивов.

Заполнение отсеков массивов-гигантов может быть самым разнообразным. Песчаное (песчаногравелистое или гравелистое) заполнение наиболее дешевое, быстро и с минимальной трудоемкостью выполнимое. Однако в случае повреждения наружной стенки массива-гиганта может возникнуть угроза утечки материала заполнения в море. Каменное заполнение может быть вымыто лишь при крупных повреждениях стенки, но оно значительно дороже песчаного. Бетонное заполнение вообще не может быть вымыто волнением, но оно максимально дорого и трудоемко и не позволяет в случае необходимости освободить отсеки для передвижки ящика при ремонтно-восстановительных работах. Комбинированное заполнение – бетонное в крайних отсеках, песчаное в средних – является безопасным с точки зрения вымывания заполнителя и значительно дешевле бетонного. К сожалению, добиться удовлетворительного сцепления бетона заполнения со стенами ящика при подводном бетонировании очень трудно, и поэтому возможны случаи отслаивания стены от бетона и ее вибрация с недопустимыми амплитудами при ударе волн.

Достоинства: при строительстве не требуется мощных подземных кранов, резко сокращается объем водолазных работ, время строительства уменьшается в несколько раз, чем при кладке массивов. Могут использоваться при больших глубинах, так как более монолитные по сравнению с сооружениями из обыкновенных массивов. Экономичны при большом фронте работ.

69

Недостатки: стоимость этих сооружений при мало объеме работ выше, чем стоимость сооружений из обыкновенных массивов. Это связано с большой стоимостью строительства полигона и спусковых устройств для изготовления массивов-гигантов. Ремонт массивов-гигантов оказывается более сложным. 4.Сооружения из оболочек большого диаметра.

В портовом гидротехническом строительстве широко применяют оболочки большого диаметра (D=10 – 20м) из железобетона реже из металла. Их можно возводить как на плотных песчаных и скальных грунтах, где они работают как гравитационные сооружения, так и на слабых глинистых грунтах (с заделкой в грунт), где устойчивость оболочек частично обеспечивается защемлением их в грунте (то есть пассивным сопряжением грунта, действующим на погруженную часть оболочки).

Сооружение гравитационного типа, обеспечивающие свою устойчивость за счет собственной массы и массы грунта в оболочке, представляют собой оболочки, устанавливаемые на грунт (глубина заложения подошвы оболочки при этом назначается в пределах 0,15 – 0,30 глубины у сооружения, но не менее 1,5

– 2м).

Достоинства: расход железобетона на единицу длины сооружения не зависит от диаметра оболочки, а только от высоты (V=π∙D∙δ∙H0/D= π∙δ∙H0). Применение оболочки без устройства каменной постели приводит к значительной экономии средств. Оболочки могут применяться при строительстве «насухо» и «в воду» в любых гидрологических условиях, практических на любых грунтах (за исключением слабых илов или текучих глин большой мощности).

Недостатки: необходимость использования кранов большей грузоподъемности, либо приходится разрезать оболочки на горизонтальные или вертикальные секции. Неудобства, связанные со швартовкой судов непосредственно к оболочкам при больших колебаниях уровня воды.

Общие положения расчета гравитационных оградительных сооружений вертикального типа.

При расчете гравитационных оградительных сооружений вертикального типа необходимо выполнить следующие проверки:

1.Проверка устойчивости на сдвиг по подошве сооружения (плоский сдвиг).

2.Проверка устойчивости на сдвиг вместе с постелью.

3.Проверка прочности грунтового основания.

4.Проверка сооружения на опрокидывание.

5.Проверка общей устойчивости сооружения (глубинный сдвиг).

6.Проверка возможности размыва дна перед сооружением.

7.Проверка прочности и устойчивости отдельных частей и элементов конструкции. Рассмотрим все проверки по порядку.

1.При расчете устойчивости на сдвиг по подошве сооружения должно выполняться следующее условие:

70

Где - коэффициент сочетания нагрузок: 1,0 – при основном сочетании; 0,9 – при особом сочетании;

0,95 – при сочетании нагрузок в период строительства. - коэффициент перегрузки;

- коэффициент условий работ; 1,15 – для портовых сооружений; 1,0 – для оградительных сооружений;

- коэффициент надежности, учитывающий степень ответственности и класс капитальности;

1,25 – I класс;

1,20 – II класс;

1,15 – III класс;

1,10 – IV класс;

Е – сумма сдвигающих горизонтальных сил, действующих на сооружение; g – сумма вертикальных сил, действующих на подошву сооружения;

f – коэффициент трения подошвы сооружения по каменной постели, равный 0,6 (бетн по камню); В оградительных сооружениях из оболочек большого диаметра f=0,6 (тоже бетон по камню) Рассмотрим характерный пример:

Е=Е1+Е2+Е3 g=g0+g2-g1

Е1 – нагрузка со стороны моря от стоячих, разбитых или прибойных волн; Е2 – нагрузка от дифрагированных волн со стороны акватории;

Е3 – нагрузка от натяжения швартовов (если оградительное сооружение используется как причал); g0 – собственная масса сооружения;

g1 – вертикальная нагрузка от взвешивающего волнового давления (при подходе стоячих, прибойных и разбитых волн);

g2 – вертикальная нагрузка от взвешивающего волнового давления (при пдходе дифрагированных волн). 2. При расчете устойчивости сооружения на сдвиг вместе с постелью следует определять:

- для случая постели на поверхности грунта основания

а). сдвиг стенки вместе с каменной постелью (по наклонной плоскости AD);

б). сдвиг стенки вместе с каменной постелью по грунту основания ( по плоскости BD); - для случая постели, заглубленной в грунт основания

в). сдвиг стенки вместе с частью постели в контуре ABCD (по системе плоскостей AB, BD и DL);

г). сдвиг стенки вместе с частью постели в контуре ABFG (по дну и откосу котлована, по системе плоскостей AB, BF и FK).

Для случая а) должно выполняться условие:

∙(g+)∙sin а+∙∙E∙cos а ≤∙

- все части постели, заключенные в контуре ADC.