Конспект лекций Портовые сооружения

81

и стенками массивов-гигантов. При строгом решении горизонтальное давление грунта засыпки определяется по формуле Янсена.

При приближенном решении горизонтальное давление грунта засыпки допускается определять по формуле Кулона с учетом экранирования (эффект силоса).

Период эксплуатации.

6. Стадия эксплуатации сооружения.

В процессе эксплуатации сооружения расчетные нагрузки будут иными. Давление бетона после его схватывания будет передаваться на стенки массива-гиганта и предполагается в запас, что плиты, уложенные на поверхности засыпки, защемлены между стенами массивов-гигантов. В этом случае

пригрузке будет равна нулю (=0). Так как =0, то горизонтальное давление грунта засыпки будет минимальным, а разница между давлением волны при подходе гребня и давлением грунта засыпки

будет максимальной, так как =0, то и вертикальное давление грунта засыпки будет минимальным, а разница между взвешенным волновым давлением грунта засыпки будет максимальным.

В связи с наличием волнения, по подошве массива-гиганта будет действовать взвешивающее волновое давление (гидродинамическое) и реактивное давление , грунта, которое имеет вид

Способ определения реактивного давления грунта () , (реакции основания в данном случае) изложен выше.

При расчете стенки массива-гиганта в эксплуатационном случае нагрузка складывается из волновой при подходе гребня волны 1% обеспеченности и бокового давления грунта.

При расчете днища в эксплуатационном случае необходимо учитывать следующие нагрузки:

Значения изгибающих моментов определяются по таблицам Смотрова.

После определения , действующих на стенки и днище массива-гиганта, выбираются наибольшие их значения, и производится расчет днища и стен на прочность и трещиностойкость.

Поскольку на стены и днище массива-гиганта действуют знакопеременные нагрузки, их армируют двойными сварными стенками.

Когда все размеры массива-гиганта уточнены, необходимо произвести расчет его плавучести и остойчивости.

82

Плавучесть и остойчивость характеризует способность судна сохранять устойчивое положение равновесия на спокойной поверхности воды.

Плавучесть массива-гиганта.

Мерами плавучести массива-гиганта является его объемное водоизмещение V и весовое водоизмещение

W:

W=∙V

- объемный вес воды;

V – объем подводной части массива-гиганта или его объемное водоизмещение.

На судно или массив-гигант, плавающий неподвижно в положении равновесия на спокойной воде, действуют следующие силы:

1). Сила веса массива-гиганта G, приложенная в центре тяжести массива-гиганта;

2). Сила плавучести или сила поддержания ∙V от воздействия гидростатического давления воды, приложенная в центре величины (центра тяжести подводного объема) массива-гиганта. Взаимно уравновешенные горизонтальные составляющие гидростатических сил давления не влияют на условия равновесия и поэтому не учитываются.

Основным физическим законом, определяющим плавучесть массива-гиганта, служит закон Архимеда,

согласно которому вес массива-гиганта (судна) равен весу вытесненной им воды G=∙V=W. Плавучесть массива-гиганта должна обеспечивать не только его способность удерживаться на плаву в процессе буксировки в условиях допустимого волнения (до двух баллов), но и достаточные удобства установки на постель, что требует наличия запаса под днищем 0,5 – 1,0м. Обычно удовлетворение последнего условия автоматически приводит к удовлетворению требования наличия достаточного запаса плавучести, так как при этом высота надводного борта массива-гиганта явно превышает 1м, что вполне достаточно. Таким образом проверка на плавучесть сводится в основном к определению осадки понтона Т:

Остойчивость массива-гиганта.

Под остойчивостью понимается способность массива-гиганта, отклоненного внешним моментом от положения равновесия, возвышаться в исходное положение.

Различают остойчивость на малых углах наклонения (до 10° - 12°), или начальную остойчивость, и остойчивость на больших углах наклонения. Наклонения массивов-гигантов могут происходить под действием ветра, волнения, течений.

83

При крене на малый угол происходит перемещение центра величины за счет изменения формы подводного объема. При этом можно принять допущение, что траектория центра величины совпадает с кривой, которую в пределах участка Ц.В. – Ц.В.' можно считать дугой круга с центром в точке М. Радиус этого круга ρ называется метацентрическим радиусом плавающего тела, а его центр М – метацентром. Расстояние между метацентром М и центром тяжести массива-гиганта носит название метацентрической высоты m.

Метацентрическая высота служит измерителем остойчивости массива-гиганта. Если метацентр

расположен выше центра тяжести (m>0), то восстанавливающий момент , образованной парой сил G и W, стремится вернуть массив-гигант в первоначальное положение, если m=0 или m<0 – массив-гигант неостойчив, так как в этом случае пара сил веса и плавучести будет стремиться увеличить крен.

Таким образом, метацентр является предельной точкой, до которой можно поднять центр тяжести массива-гиганта, не лишая его положительной остойчивости. Остойчивость массива-гиганта, то есть способность возвращаться из состояния крена в начальное положение, считается достаточной, если метацентрическая высота m массива-гиганта превышает 0,2м.

; ; ;

-момент инерции площади грузовой ватерлинии относительно продольной оси;

-длина массива-гиганта;

-ширина массива-гиганта;

-объем водоизмещения;

-ордината центра тяжести массива-гиганта;

–ордината центра величины (центра весового водоизмещения);

Координаты центра тяжести и центра водоизмещения ( и ) определяют элементарными

приемами статики, через статические моменты весов элементов массива-гиганта. При m≤0,2 метацентрическую высоту увеличивают, понижая центр тяжести массива-гиганта балластировкой до требуемой величины. В качестве балласта лучше использовать материал заполнения, так как водяной балласт несколько ухудшает остойчивость массива-гиганта при спуске и на плаву при волнении.

г). Стенка из оболочек большого диаметра.

При расчете оболочек без днища на опрокидывание и при определении напряжений под подошвой необходимо учитывать некоторые особенности.

В связи с отсутствием днища при расчете на опрокидывание предполагается, что внутренняя засыпка может свободно высыпаться и грунт конуса ОАВ остается неподвижным, то есть вес грунта, заключенный в конусе, не будет удерживающей силой, и, следовательно, при определении момента от удерживающих сил , вес этого конуса грунта не учитываем.

84

;

При расчете деформаций, которые для заглубленных оболочек (без днища имеется в виду) могут оказаться определяющими при назначении основных габаритных размеров, помимо осадок основания,

ножа оболочки в грунт основания за счет того, что давление под жесткими стенками оболочки будет в 4

– 6 раз больше давления в средней ее части. Это давление при определенной величине может вызвать образование зон пластических деформаций грунта под ножом оболочки, в результате она будет врезаться в основание и вся конструкция получит неравномерные осадки. В этом время грунт внутри оболочки будет уплотняться и по мере уплотнения воспринимать большую часть вертикальны нагрузок. Величина этих местных осадок может достигать 30% общей осадки сооружения. Местные деформации, вызывают и дополнительный крен оболочки, очевидно, от неравномерности уплотнения сжимаемой толщи заполнителя по периметру оболочки.

Расчет деформаций оболочек производится в соответствии с указаниями РТМ 31.3013-77, «Руководство по расчету м.г.с. из оболочек большого диаметра».

Кроме расчета местных деформаций, характерными для оболочек являются расчеты прочности их стен, особенно изготовленных из железобетона. Прочность оболочки проверяют по величинам максимальных усилий и моментов, возникающих в теле оболочки, как в сложной пространственной системе. Для вычисления этих усилий используют ЭВМ.

Для предварительных расчетов в кафедральном учебнике приведены соответствующие рекомендации с номограммами и графиками.

Предварительно необходимо определить нагрузки, действующие на оболочку. Определяем по аналогии с массивом-гигантом при рассмотрении эксплуатационного случая. Далее определяем усилия, действующие на оболочку.

-изгибающий момент;

–растягивающее или сжимающее усилие;

,- единичные усилия изгибающих моментов и растягивающих или сжимающих усилий, определяющиеся по номограмме XII 36. Рассматривается элементарное напряженно-деформированное

86

Сооружения этого типа в общем случае состоят из двух рядов свайного или шпунтового ограждения, диафрагм, заполнения, распределительных балок, анкерных тяг и надстройки.

Анкерные тяги связывают между собой ряды свай или шпунта. Они могут быть выполнены из круглой, квадратной или фасонной профильной стали.

Распределительные балки служат для более равномерного распределения анкерного усилия вдоль наружных стенок (по длине сооружения). Их выполняют из швеллеров, двутавров, бревен или брусьев и располагают с внешней стороны стенок на уровнях воды с обеспеченностью более 90% (85%, 80, 75 и т.д.). Деревянные балки обязательно следует располагать ниже уровня гниения.

Диафрагмы предназначены для локализации возможных повреждений стенки. Выполняют их из тех же элементов, что и ограждение (т.е. из тех же свай или шунта из которых возводится основное сооружение). Диафрагмы представляют собой поперечные стенки, располагаемые через 10-30м по длине сооружения.

Над анкерными тягами и над диафрагмами в конструкциях надстройки выбирают пазы или четверти во избежание их садки на анкерные тяги или диафрагмы, вследствие осадки материала заполнения. Нависание конструкций надстройки на тягах недопустимо.

При больших колебаниях уровня воды для исключения давления воды изнутри сооружения при понижении уровня воды предусматривают в его теле, на среднем уровне, непосредственно у стенок дренаж в виде каменных призм с обратным фильтром. Спуски для дренированной воды выполняют из обрезков стальных труб, устанавливаемых между анкерными тягами через 8-10м по длине сооружения.

2.Сооружения ячеистой конструкции

Ячеистые конструкции выгодно отличаются от двухрядных тем, что в связи с криволинейным очертанием в плане ее внешних стенок, подверженных внутреннему воздействию материала заполнения, шпунт в них работает не на изгиб, а на поперечное растяжение, что позволяет использовать плоский металлический шунт, хорошо сопротивляющийся разрывным усилием (не менее 2000 кг/см), и заметно уменьшить расход металла.

1-металлический шпунт

2-ЖБ плита верхнего строения

3-уголок жесткости

4-распорная кольцевая диафрагма в зоне действия ледовых нагрузок 5-цилиндрическая ячейка 6-козырек 7-сегментная ячейка

8-поперечная диафрагма

87

Оградительные сооружения ячеистой конструкции могут быть цилиндрического типа, состоящие из цилиндрических ячеек и козырьков, перекрывающих пространство между ячейками, и сегментного типа, в которых стенки очерчены по цилиндрическим сегментам и стянуты поперечными диафрагмами.

В оградительных сооружениях предпочтение отдают ячейкам цилиндрического типа, обладающим рядом преимуществ.

Элементы этих конструкций испытывают только растяжение при любой степени заполнения, поэтому могут засыпаться грунтом сразу на всю высоту ячейки, что обуславливает минимальные сроки возведения отдельной части сооружения, устойчивой против действия внешних нагрузок.

При сооружениях сегментного типа грунтом заполняют сразу несколько ячеек. Разность отметок верха засыпки в смежных ячейках не должна превышать 1-2м для предотвращения повреждения поперечных диафрагм, не рассчитанных на боковую нагрузку. При этом способе работ сроки возведения сооружения увеличивается и оно до конца строительства останется под угрозой возможного разрушения.

Указанные особенности конструкций сегментного типа приводят к тому, сто разрушение сооружения моет наступить не только при шторме в период строительства, но и при случайном нарушении замкового соединения шпунта как в процессе строительства, так и во время эксплуатации. В ячеистых конструкциях цилиндрического типа при подобных обстоятельствах разрушается только одна ячейка, а сооружение, в целом, остается неповрежденным. При этом, следует заметить, что ячейки цилиндрического типа более устойчивы при волнении, чем сегментного.

При выборе типа ячеистой конструкции следует иметь в виду, что с увеличением ширины сооружения (диаметра цилиндрической ячейки) резко возрастают разрывные усилия в замках, чего не наблюдается при уширении сегментной ячейки.

Недостатки оградительных сооружений свайного типа:

1.сооружения могут воспринять волновую нагрузку значительно меньшей интенсивности, чем гравитационные;

2.уязвимы при ледовых воздействиях, так как не обладают достаточной жесткостью и прочностью;

3.время на строительство отдельной секции, способное воспринять внешние нагрузки весьма значительно, что существенно ограничивает их применение на открытых акваториях, так как периоды тихой погоды бывают невелики

4.рекомендуются при строительстве внутренних оградительных сооружений, шпор и т.д.

3.Сооружения из свай-оболочек

Сваи-оболочки широко применяют при строительстве причалов, как в нашей стране, так и за рубежом. При строительстве оградительных сооружений их применяют реже, однако несколько примеров этом уже есть.

88

Мол из свай-оболочек порт Пост Кристиана США Диаметр свай-оболочек 1.35 м δ=0.1м 1-ЖБ свая-оболочка 2-песчаное заполнение 3-бетонная пробка 4-надстройка 5-стяжной болт 6-деревянные брусья

В Японии построен волнолом из металлических трубчатых свай диаметром 2м с толщиной стенок, меняющейся в соответствии с величиной Мизг. От 13 до 19мм. Свободная высота волнолома 11м, глубина воды составляет 8м, Hрасч = 3м. Сваи-оболочки погружены в грунт на глубину 25м (очень слабые грунты).

Основные положения расчета свайных оградительных сооружений вертикального типа.

Сооружения в виде парных рядов свай (двухрядные конструкции).

Несмотря на то, что двухрядные свайные конструкции применяют в портостроении очень давно, точных методов расчета общей устойчивости и прочности сооружения и его элементов не существует. Поэтому для расчетов двухрядных конструкций рекомендуется приближенный метод, предложенный профессором Христофоровым В. С., который принят в нормативном документе СН-288-64.

Расчет сооружения проводят в следующем порядке:

1. Назначается ширина сооружения (из условия его устойчивости на сдвиг).

В=(0,8-1,0)Н, где Н-глубина у сооружения

Для предварительного назначения ширины сооружения его рассматривают как абсолютно жесткое тело, то есть как гравитационное сооружение. Далее предполагают, что сооружение сдвигается по наиболее опасному горизонтальному сечению, либо по линии дна, либо по прослойке слабого грунта в пределах глубины забивки элементов ограждения(естественно, если такая прослойка имеется). Сопротивлением свай излому и пассивным давлением грунта пренебрегают, что идет в запас. Тогда условие устойчивости на сдвиг имеет вид:

lc р E с g f

n

g–сумма вертикальных сил; E–сумма горизонтальных сил;

f–коэффициент трения, равный tgφ, φ – угол вертикального трения грунта основания или прослойки.

Предварительная глубина забивки to=0,8H, где Н – глубина воды.

2. Определяется сечение и глубина забивки шпунтового или свайного ограждений из условия

89

работы сооружения на вертикальную нагрузку и избыточное волновое давление при подходе к сооружению впадины волны.

Расчет стенок при подходе впадины волны производится теми же методами, как рассчитываются шпунтовые стенки причальных сооружений.

Эксплуатационная нагрузка gо принимается равной Нт/м, если сооружение используют как молпричал и 2т/м, если чисто оградительное сооружение.

После построения силового и веревочного многоугольников, определяем изгибающие моменты в стенке и усилия в анкере, поп которым подбираем сечение.

М изгmax х1max

х1max - в линейном масштабе;- в масштабе сил;

Ra – определяется по силовому многоугольнику.

Глубина забивки стенки определяется по формуле: t=1,1to.

Вследствие податливости стенки происходит перераспределение активного давления грунта на нее и действительная эпюра давления, как показывают многочисленные эксперименты, отличается от классической, что объясняется увеличением коэффициента внутреннего трения грунта, следовательно φ с возрастанием относительных смещений слоев грунта. На уровне анкера, где подвижки малы, давление увеличивается, а в пролете, где наблюдается максимальный прогиб стенки, давление падает.

Иными словами: гибкость свайных рядов вызывает перераспределение давления грунта – концентрацию его у анкерной тяги и уменьшение в пролете.

Вследствие податливости стенки происходит перераспределение активного давления грунта на нее и действительная эпюра давления, как показывают многочисленные эксперименты отличается от классической, что объясняется увеличением коэффициента внутреннего трения грунта с возрастанием относительных смещений слоев грунта. На уровне анкера, где подвижки малы, давление увеличивается, а в пролете, где наблюдается максимальный прогиб стенки, давление падает. Иными словами, гибкость свайных рядов взывает перераспределение давления грунта – концентрацию его у анкерной тяги и уменьшение в пролете.

Влияние такого перераспределения давления на усилия в элементах конструкции (изгибающие моменты в стенке и усилия в анкере) предлагается учитывать при вычислении их расчетных значений путем введения соответствующих коэффициентов к величинам, полученным исходя из классической эпюры активного давления грунта. Таким образом:

М мах

М расч изг 1,5(песок) 1,7камень

W М расч

Gдон

Усилие, приходящее на один анкер:

N Ra l, где l шаг _ между _ анкерами(1,5 3,0м)

N расч 2N

90

Диаметр тяги:

действии горизонтальных нагрузок от давления волн при подходе гребня (или давления льда).

На горизонтальную нагрузку рекомендуется провести только проверку полученных значений глубины забивки и площади сечения стенок.

При подходе гребня волны на стенку с внешней стороны будет действовать значительное волновое давление, а ниже дна – пассивное сопротивление грунта. Со стороны засыпки будет действовать реактивное давление грунта в верхней части и активное давление в нижней части.

При этом предполагается, что сдвиг грунта засыпки происходит по горизонтальным плоскостям и сопротивление сдвигу по этим плоскостям слоя грунта шириной, равной ширине сооружения В, принимается равным:

eпл зас В tg зас

Прежде всего, необходимо определить положение точки Е. Выше этой точки действует пассивное сопротивление грунта, а ниже оно не может превышать сил сопротивления сдвигу слоя грунта шириной В (епл). Следующее положение точки Е определяет условия:

зас В tg pfc зас Но п

епас=епл

λп – коэффициент горизонтального составления пассивного давления грунта.

Искомая величина здесь Но – приведенная толщина слоя засыпки.

Давление на уровне дна принимается равным активному давлению грунта (по опытным данным).