Анализ мирового опыта проектирования и строительства волноломов на слабых грунтах основания

Размещено на http://www.allbest.ru/

Анализ мирового опыта проектирования и строительства волноломов на слабых грунтах основания

Факторы, влияющие на надежность портовых оградительных сооружении, при их строительстве и эксплуатации

Портовые оградительные сооружения - молы и волноломы, как и другие морские гидротехнические сооружения, подвергаются воздействию природных явлений, происходящих в трех сферах: земной, водной (морской) и воздушной. К действию природных явлений присоединяется влияние факторов, создаваемых деятельностью человека.

Факторы, влияющие на сооружения, могут быть разбиты на следующие основные группы:

а) геологические факторы, обусловливающие характер взаимодействия фундамента сооружения и грунта в его основании, а также определяющие состояние общей устойчивости сооружения и грунтового массива, на котором оно возведено;

б) гидрометеорологические факторы, характеризующие действие морского волнения, влияние льда (давление льда и действие воды при морозе), химическое действие морской воды и влияние живущих в ней организмов на материалы сооружения;

в) эксплуатационные факторы, определяющие полезные нагрузки на сооружение и условия поддержания его в сохранности;

г) факторы производства работ, при неправильной технологии строительства приводящие к повреждениям сооружения в процессе его постройки или же сразу по ее окончании, а иногда и спустя длительный срок;

д) сейсмические факторы;

е) военные факторы.

Практика строительства и эксплуатации портовых оградительных сооружений показывает, что в соответствующих случаях факторы каждой из перечисленных групп могут быть причиной деформаций сооружения. Однако обобщенный анализ материалов о повреждениях оградительных сооружений позволяет установить, что в подавляющем большинстве случаев решающими для сохранности их являются: морское волнение, геологические факторы и факторы производства работ.

Геологические факторы

Портовые оградительные сооружения, подвергаясь воздействию весьма значительных вертикальных и горизонтальных сил, создают интенсивные и распространенные по большой площади нагрузки на грунты, лежащие в их основании. Высокие значения напряжений грунта характерны как для молов и волноломов гравитационного типа, передающих нагрузку на грунт непосредственно или через подсыпку, так и для свайных сооружений, у которых лишь часть нагрузки передается на более глубокие слои грунта. Чаще всего поверхностные слои морского дна, несущие эти сооружения, слагаются неоднородными и легко сжимаемыми грунтами. Поэтому геологические факторы имеют первостепенное значение в проектировании и строительстве оградительных сооружений. Деформации и аварии сооружений из-за несоответствия проекта или методов производства работ геологическим условиям случаются очень часто. Причинами такого несоответствия обычно являются неправильное представление о явлениях, происходящих в грунте под нагрузкой, и, как следствие этого, применение неправильных расчетных схем и методов определения взаимодействия сооружения и грунта в его основании. Иногда это обусловливается неудовлетворительным проведением геологических изысканий.

В общем виде деформация стенки сооружения и грунта в ее основании может быть представлена схемами, изображенными на рис. 1. При постепенном нарастании вертикальной нагрузки деформация протекает по трем последовательным стадиям (фазам).

Рис. 1. Схема деформации стенки и грунта в ее основании.

В первой стадии под действием нагрузки, не превосходящей практической несущей способности грунта, происходит его уплотнение в основании стенки и небольшая ее осадка (рис. 1-а). Если нагрузка увеличивается, то при некоторой ее величине грунт под подошвой стенки начинает разрушаться и в его массиве происходят небольшие смещения, а по бокам стенки - незначительные вы пучины (рис. 1-б). Сначала смещения невелики и появляются беспорядочно в разных местах, еще не образуя сплошных поверхностей, но затем, по мере развития этой второй стадии деформации, отдельные площадки сдвига сливаются в сплошные криволинейные поверхности. Наступает момент неустойчивого равновесия стенки, когда дополнительная нагрузка вызывает резкий сдвиг в сторону большого массива грунта вместе со стенкой; впереди нее образуется высокий вал выпертого грунта. Это третья стадия деформации. Стенка при этой стадии деформации (рис. 1-в) как бы проваливается или получает "просадку", в отличие от небольших "осадок" в течение первых двух стадий деформации.

Неравномерность давления на грунт под подошвой стенки в силу эксцентриситета вертикальной нагрузки или приложения также горизонтальной силы нарушает симметричный характер деформации стенки и грунта в течение первых двух стадий и приближает момент третьей стадии.

Для стенок оградительных сооружений деформации первой стадии и начального этапа второй не представляют опасности, так как в эти периоды суммарные горизонтальные и вертикальные смещения измеряются сантиметрами. Такие смещения не вызывает расстройства конструкций, применяемых обычно для вертикальных стенок оградительных сооружений, и вовсе не сказываются на сохранности сооружений из каменной или массивовой наброски.

Деформация третьей стадии измеряется метрами и носит аварийный характер. После нее возникает необходимость в разборке и переустройстве сооружения вертикального типа, а в случаях аварии сооружения из наброски - в больших затратах по ее восстановлению. Вторую стадию деформации, за исключением начального ее этапа, следует признать предаварийной, так как она сопровождается разрушением грунта и является промежуточной, предшествующей третьей, аварийной фазе.

Осадки и смещения первой фазы испытывают все оградительные сооружения, возводимые на сжимаемых (нескальных) грунтах. В дальнейшем в данной работе рассмотрен ряд примеров молов и волноломов, испытавших без существенных повреждений деформации первой и начального этапа второй стадии. В качестве классических примеров деформации третьей стадии могут послужить обрушение головного ряжа Западного волнолома Ревельского порта, опустившегося 10 августа 1912 г. под действием веса надстройки под воду и сдвинувшегося в сторону на 2,36 м, и просадка на 5,80 м в 1928 г. частично сложенного пробного бычка удлинения нефтяного мола в одном из портов, также сопровождавшаяся сдвигом до 4,50 м (рис. 2). Аварийные просадки третьей стадии описаны помимо этого в пп. 14, 25, 37, 40 и др.

Рис. 2. Осадка пробного бычка.

Изучение опыта строительства оградительных сооружений на сжимаемых грунтах показывает, что наименьшую опасность в отношении возможных деформаций представляют плотные песчаные грунты. Лабораторные исследования позволяют достаточно точно определить их физические и строительные свойства; визуальный анализ песчаных грунтов также обычно бывает почти безошибочен.

Осуществление проекта сооружения на плотных песчаных грунтах не может встретить каких-либо неожиданностей. Благодаря жесткости скелета песчаного грунта деформации сооружений на плотных песчаных основаниях невелики и проявляются сразу же после приложения нагрузки.

Наоборот, пески и супеси в состоянии разрыхления имеют неустойчивое строение грунтового скелета и подвержены под влиянием сотрясений или других причин внезапным осадкам и сдвигам, влекущим за собой разрушение возведенных на них сооружений. Вибрация оградительного сооружения под динамическим воздействием волн создает весьма благоприятные условия для самопроизвольных деформаций легкоподвижного рыхлого песчаного грунта в его основании. Авария головы Западного мола в Ревельском порту также произошла вследствие просадки рыхлого песчаного грунта.

Еще большую опасность для тяжелых сооружений представляют водонасыщенные рыхлые песчаные грунты, обычно мелкозернистые, но иногда также средне- и крупнозернистые, часто заиленные ("плывуны"). В силу своей легкоподвижности и способности растекаться плывунные грунты неизбежно вызывают существенные просадки и разрушение возведенных на них сооружений. Однако плывунные грунты в море встречаются исключительно редко, тем более в отдалении от берега, где возводятся молы и волноломы. Поэтому случаи аварий оградительных сооружений на плывунах неизвестны. портовый оградительный строительство

Возведение молов и волноломов непосредственно на илистых грунтах всегда вызывает значительные деформации основания. Зачастую деформации принимают аварийный характер, подобный изображенному на рис. 1-в, и приводят к обрушению сооружения.

Следует отметить, что в практике морской гидротехники общее название "илистый грунт" присвоено разжиженному слабому грунту, чаще всего глинистому недавнего образования, включающему коллоидные, иловатые, пылеватые и мелкопесчаные частицы и прослойки. Характерной для илистых грунтов является их высокая пористость (влажность), в силу которой верхние слои грунта, иногда на значительную глубину, представляют собой полужидкую массу, в которую погружаются затонувшие суда, случайные предметы (судовые якоря, цепи и пр.) и камень, отсыпаемый для образования постели сооружения.

Из истории портового строительства известно, что некоторые тяжелые оградительные сооружения строились на илистых грунтах, хотя слабость грунта неизбежно должна была привести к деформации. Но с этим обстоятельством мирились, рассчитывая в процессе строительства достичь уплотнения основания. Применением сооружений, выполненных в виде правильной горизонтальной кладки массивов, и длительным, кропотливым ведением работ, сопровождавшимся многократной разборкой деформированной кладки", подсыпкой камня в постель удавалось создать в основании сооружения достаточно мощную по ширине и глубине подушку из верхнего слоя грунта, уплотненного проникшей в него каменной наброской. Образованием такой подушки достигали заглубления постели и передачи давления уменьшенной интенсивности на более глубокие и плотные слои грунта.

С аналогичной целью применялся на илистых грунтах и другой тип оградительных сооружений в виде каменной либо массивовой наброски. Деформация сооружения такого типа при осадке обычно не носила аварийного характера, а вызывала лишь необходимость дополнения профиля; в то же время благодаря осадке достигалось уплотнение грунта в основании сооружения.

Таким образом, проектирование и строительство оградительных сооружений на илистых грунтах производились как бы ощупью. Нельзя было заранее предвидеть, будет ли иметь место деформация, практически вызывающая необходимость перекладки массивов или пополнения профиля, либо деформация примет катастрофический характер и потребуется возведение нового сооружения. Поэтому строительство оградительных сооружений на илистых грунтах сопровождалось частыми авариями, которые в различных случаях отличались лишь своими размерами и степенью трудности их ликвидации (см. ниже).

Для оценки явления просадок, которые происходят в илистом грунте, простирающемся на значительную глубину, положительную роль сыграла созданная Н.М. Герсевановым и другими учеными теория динамики грунтовой массы, охватывающая все виды сжимаемых грунтов в водной среде. Эта теория сыграла наибольшую роль в приложении к глинистым и илистым грунтам.

Теория динамики грунтовой массы отводит первостепенную роль гидродинамическим процессам, протекающим в толще грунта. Согласно этой теории, равновесие грунта определяется математической зависимостью между давлением на грунт и его пористостью (или влажностью). Повышенное давление от приложения нагрузки к поверхности грунта сначала воспринимается заключенной в его порах водой, а затем, по мере фильтрации воды под напором и уменьшения пористости грунта, постепенно передается на упругий грунтовой скелет. В период гидродинамического процесса до установления нового равновесия, т. е. до достижения соответствия между пористостью грунта и новым давлением, сооружение подвергается особой опасности деформации в связи с возможностью сдвигов самой грунтовой массы (рис. 1-в). В это время способность грунта сопротивляться сдвигающим усилиям непрерывно меняется. Таким образом, фактор времени приобретает решающее значение. Лишь по окончании гидродинамического процесса устойчивость грунта вновь начинает определяться сопротивляемостью его скелета.

В отличие от песчаных грунтов, обладающих жестким скелетом и крупными свободно фильтрующими воду порами, илистые грунты образованы мелкими частицами со столь же мелкими порами, препятствующими фильтрации воды. Это обстоятельство в совокупности с высокой общей пористостью илистого грунта и слабостью его скелета служит причиной того, что под нагрузкой происходит разрушение скелета и течение самой грунтовой массы. Чем интенсивнее прилагается нагрузка, тем скорее и сильнее происходит нарушение устойчивости илистого грунта.

Изложенная в общих чертах схема явлений, происходящих в илистых грунтах, получила свое подтверждение, помимо теоретических и лабораторных исследований, также и на опыте строительства и аварий многих сооружений.

Плотные глинистые и суглинистые грунты обычно являются достаточно устойчивым основанием для тяжелых оградительных сооружений. Хотя и в них под действием нагрузок происходят гидродинамические процессы, аналогичные выше описанным для илистых грунтов, но здесь эти процессы при правильном производстве работ протекают медленно и с малой интенсивностью благодаря невысокой пористости (влажности) грунта и относительной прочности его скелета. Необходимо лишь не допускать форсированной нагрузки на основание, которая могла бы повлечь за собой чрезмерное ускорение гидродинамических процессов и, как следствие, такие же деформации, какие свойственны илистым грунтам. Постепенное и выдержанное по времени приложение нагрузки, наоборот, вызывает длительное и исчисляемое годами движение воды в мельчайших порах между чешуйками грунтового скелета, в результате которого происходит столь же длительное уплотнение грунта и постепенная осадка, не опасная для оградительного сооружения.

При строительстве на плотных глинах и суглинках следует также учитывать, что грунты этого рода, обнаженные во время устройства котлована и освобожденные от ранее лежавших на них слоев, способны принимать в свои поры внешнюю воду, в результате чего происходит разбухание грунта, и "взмыливание" его поверхности. Такое нарушение структуры поверхностного слоя грунта значительно уменьшает силы трения, препятствующие сдвигу сооружения по грунту. Игнорирование этого обстоятельства может явиться причиной аварии сооружения.

Характер и размер вызванных геологическими факторами деформаций молов и волноломов находятся в тесной взаимосвязи с их конструкцией. Строительство сооружений некоторых конструктивных типов сопряжено с форсированным приложением больших нагрузок к основанию в связи с тем, что подводная часть их профиля возводится сразу на полную высоту. К таким типам относятся прежде всего сооружения из массивов-гигантов, целиком устанавливаемых на постель и немедленно после установки заполняемых бетоном или камнем во избежание повреждения их волнением. К этой же группе принадлежат сооружения, образованные элементами с меньшим весом, но по условиям производства работ также возводимые сразу на полную высоту: молы и волноломы из укладываемых в столбы циклопических либо целлюлярных массивов и из наклонной кладки обыкновенных или циклопических массивов.

Применение перечисленных типов молов и волноломов на слабых грунтах без специальной подготовки основания может вызвать в силу изложенных выше причин потерю устойчивости грунта и обрушение сооружения. В этом отношении все эти типы близки друг к другу. Наоборот, чувствительность их к небольшим деформациям более прочного грунта основания различна.

Массивы-гиганты особенно чувствительны к деформациям основания. В силу своей большой жесткости они не могут упруго деформироваться, следуя за неровностями просевшей постели, и получают поперечные трещины, особенно опасные при комбинированном - бетонном и сыпучем - заполнении. Наряду с этим, перекосы и наклоны вдоль сооружения влекут за собой нажатие торцов гигантов друг на друга, в результате чего повреждаются торцовые стенки, а в надстройке и парапете возникают отколы и трещины.

Неравномерная осадка столбов из циклопических или целлюлярных массивов также может вызвать нажатие их друг на друга и при особо неблагоприятных условиях - растрескивание массивов. Однако наличие частых поперечных швов в стенке сооружения из столбов значительно снижает опасность таких повреждений.

Наклонная кладка массивов мало чувствительна к небольшим деформациям основания благодаря тому, что отдельные массивы в ней почти не работают на изгиб и расстройство швов при осадке не имеет места. Помимо этого, в процессе строительства, когда основание загружается стенкой на полную ее высоту и происходят наибольшие осадки, наклонные ряды массивов в момент укладки еще могут свободно и без повреждений сдвигаться друг по другу.

В отличие от перечисленных типов сооружений, молы и волноломы из горизонтальной кладки обыкновенных массивов допускают производство работ, обеспечивающее постепенное и медленное нарастание нагрузки на основание. Для этого каждый горизонтальный курс массивов укладывается на возможно большем протяжении сооружения, выдерживается возможно более длительное время - до затухания осадки основания - и лишь после этого перекрывается следующим курсом. В случае значительной осадки производится перекладка массивов с подсыпкой камня в постель. Благодаря такому методу производства работ удавалось без специальной подготовки основания возводить вертикальные стенки из горизонтальной кладки массивов даже на слабых илистых грунтах. Укладка массивов горизонтальными курсами часто применялась также для предварительной огрузки основания молов и волноломов, возводимых из других элементов, например, из массивов-гигантов.

Вызванные геологическими факторами деформации сооружений из горизонтальной кладки массивов отличаются чрезвычайно большим различием в характере и размерах. При возведении стенки на слабых грунтах без соблюдения приведенных выше основных принципов производства работ происходят аварийные просадки и обрушения, требующие для своей ликвидации перестройки стенки заново. Однако и правильное производство работ не предохраняет стенки от деформаций, а отдельные массивы от трещин и поломок, размер которых зависит от большей или меньшей степени прочности грунта в основании; иногда отдельные массивы настолько сильно повреждаются, что выпадают из стенки. Надводное строение либо отслаивается от массивовой стенки, либо, следуя за ее осадкой, также деформируется и получает трещины и отходы. Конструктивные дефекты сооружения, например недостаточная прочность, неточная форма или малая высота массивов, вызывают повышенные повреждения его элементов.

Молы и волноломы из двух сплошных рядов свай с засыпкой камня между ними менее подвержены повреждениям по геологическим причинам. Свайные ряды передают часть нагрузки на более глубокие слои грунта и, кроме того, образуют своего рода обойму; для грунта в основании. Засыпка камня слоями позволяет создать некоторую постепенность нарастания нагрузки на грунт. В процессе забивки свай легко можно обнаружить особую слабость грунта и принять необходимые меры (увеличение глубины забивки или уширение профиля стенки).

В силу всего сказанного, аварийное обрушение свайного мола или волнолома из-за слабости грунта практически почти невозможно. Опыт строительства свайных оградительных сооружений подобных аварий не знает. Для этих сооружений типичными являются деформации другого вида: просадка каменной засыпки в слабый грунт, образование пустот над ней, повреждения надводного строения, возведенного на каменной засыпке и лишенного опоры после ее просадки. Воздействие волн на сооружение и грунт в его основании способствует увеличению просадок и повреждений.

Деформации молов и волноломов из наброски камня или массивов резко отличны от деформаций сооружений вертикального типа. Даже при наибольших возможных просадках профиль сооружения лишь искажается, но не теряет принципиальных очертаний призмы; благодаря этому сооружение может быть сравнительно легко восстановлено путем дополнительной наброски массивов или камня. Кроме того, уменьшенное в несколько раз давление волн на сооружение из наброски, по сравнению с давлением на вертикальную стенку, и меньшее влияние волновых воздействий на сумму нагрузок, передаваемых на основание, обеспечивают почти равномерное, постоянное и распространенное по большой площади давление на грунт.

Вследствие этих ценных свойств сооружения из наброски с успехом возводятся на любых грунтах и при любой силе волнения. Их деформации обычно ограничиваются небольшими осадками и искажением профиля. Только на особо слабых грунтах происходят аварийные просадки всего профиля, достигающие нескольких метров (см. ниже). Кроме общих деформаций для сооружений из наброски массивов при осадке характерны повреждения отдельных массивов: раздробление углов и ребер, трещины и поломки. Как показал опыт строительства, массивы больших размеров испытывают при этом более сильные повреждения. Сооружения из каменной наброски иногда получают большую просадку с портовой стороны; это явление объясняется тем, что неширокая призма из плотной каменной наброски может приобрести характер монолитной наклонной стенки и передавать при сильном волнении повышенное давление на грунт под своей тыловой частью.

Из изложенного видно, что, несмотря на разнообразие характера и величины деформаций, свойственных разным конструктивным типам оградительных сооружений, строительство на слабом грунте мола или волнолома любого типа в большинстве случаев требует специальной подготовки основания. В некоторых случаях это требование бывает продиктовано прямой невозможностью без подготовки основания осуществить сооружения данного типа, в других - стремлением сократить затраты средств и времени на строительство.

Первоначально практика портостроения знала только два способа специальной подготовки основания оградительных сооружений, возводимых на слабых илистых и глинистых грунтах: а) предварительную огрузку и выжимание в стороны грунта при помощи отсыпки (из песка, гравия или карьерных отходов); б) замену такими же материалами вычерпанных земснарядами верхних слоев грунта.

Однако первый способ, не внося ничего принципиально нового в работу слабого грунта основания, не обеспечивал его от внезапных и больших просадок, а позволял лишь заранее вызвать эти просадки и несколько уменьшить затраты на сооружение за счет "потонувших" в слабом грунте более дешевых материалов насыпи. Второй способ оказывался успешным только при наличии на глубине более плотных грунтов и устройстве котлована для замены грунта на достаточную глубину.

Следует отметить также успешное применение так называемого "плавающего основания" в виде относительно тонкой и широкой (в десятки и сотни метров) песчаной подушки (как правило, из мелкого чистого песка). Опыт эксплуатации осуществленных на такой подушке сооружений и данные специально поставленных экспериментов свидетельствуют о перспективности такого подхода к возведению сооружений тяжелого типа на любых грунтах (см. ниже).

Из других идей в области подготовки основания для строительства молов и волноломов на весьма слабых илистых грунтах следует отметить замораживание грунта; устройство в нем вертикальных дрен; нагнетание в грунт песка с помощью рефулера.

При строительстве сооружений на рыхлых и плывунных песчаных грунтах обычно применяют забивку свай и шпунтовых рядов, которые предотвращают сдвиги грунта в стороны и способствуют его уплотнению в процессе забивки.

Известны и многие другие способы повышения несущей способности легкоподвижных песчаных грунтов: уплотнение их при помощи взрывов или вибрирования, закрепление химическим способом, инъекцией цементного раствора либо битума и др. Некоторые из этих приемов уже показали свою малую эффективность (вибрирование), другие не вышли из стадии единичных экспериментов в производственных условиях (уплотнение взрывами), третьи (закрепление и инъекция) оказались чрезмерно дорогими, вследствие чего ни один из указанных приемов пока не вошел в практику строительства молов и волноломов.

Производственные факторы

Факторы производства работ при строительстве оградительных сооружений играют весьма существенную роль. Надежность и долговечность оградительного сооружения в значительной степени зависят от того, насколько правильно выполнены работы по его строительству.

Неправильности производства работ, приводящие к повреждениям и авариям сооружений, могут быть обобщены в две основные группы: 1) недоброкачественность выполненных конструктивных элементов и примененных материалов, 2) несоответствие природным условиям принятых последовательности и темпа производства работ.

Вторая группа, специфичная для морских гидротехнических сооружений и особенно для оградительных, объединяет случаи чрезмерного форсирования или, наоборот, недопустимого замедления работ, а также нарушения необходимой их последовательности по конструктивным элементам и участкам сооружения.

Рассматривая конструктивные элементы в порядке их выполнения, можно представить в следующем виде наиболее характерные и часто встречающиеся на практике неправильности производства работ по этим элементам в сопоставлении с вызываемыми ими повреждениями и авариями.

Котлован под постель гравитационного мола или волнолома иногда оказывается уширенным против проектных размеров, вследствие неправильно произведенного черпания, и незаполненным в перечерпанной части. В этом случае, ввиду увеличения ширины котлована, облегчается сдвиг сооружения.

Замедленность темпа работ по засыпке камня в постель, когда котлован остается открытым в течение длительного времени, приводит к заиливанию его и разрушению откосов. В глинистых, размокающих с поверхности грунтах задержка в заполнении котлована вызывает нарушение структуры грунта в поверхностном слое. Результаты этого могут выразиться в повышенной осадке сооружения и в уменьшении его сопротивления сдвигу.

При строительстве гравитационных сооружений на слабых грунтах распространен способ уплотнения грунта путем насыпки по трассе сооружения высокого вала из песка, гравия или карьерных отходов с последующей срезкой его на проектной отметке подошвы сооружения. Недостаточная выдержка вала и преждевременная его срезка значительно уменьшают эффект уплотнения, так как материал насыпи не успевает проникнуть глубоко в слабый грунт и выжать его в стороны. Следствием этого является в дальнейшем повышенная осадка сооружения. Даже в том случае, если с помощью взрывов достигается более глубокое и ускоренное проникание материала вала в грунт необходимо выждать длительное время перед срезкой вала для того, чтобы в грунте основания постепенно восстановилось равновесие, нарушенное взрывами.

Эффект другого метода устройства основания под сооружение, возводимое на весьма слабых грунтах путем насыпки тонкой и широкой песчаной подушки, зависит от соблюдения необходимой чистоты и крупности песка, надлежащего порядка укладки его под воду, длительной выдержки песчаной подушки перед постройкой сооружения и постепенности нарастания нагрузок во время строительства. Нарушение этих основных требований может свести к нулю роль песчаной подушки и вызвать аварийную осадку сооружения.

Поспешное загружение высокой каменной постели (особенно на слабых грунтах) либо толстого слоя песка, или гравия, специально отсыпанного в котлован для замены слабого грунта, также влечет за собой увеличение осадки сооружения как вследствие уплотнения камня, песка или гравия, так и в результате проникания их в слабый грунт.

Из других дефектов устройства постели мола или волнолома наиболее характерны: применение недоброкачественного по крупности и прочности камня, отсыпка постели неполным профилем, малая ее плотность, неодинаковая степень уплотнения подсыпки.

Крупность камня в верхних слоях постели играет решающую роль в противодействии размыву донной волной незащищенных берм и откосов. Однако и при наличии защитных массивов также недопустимо применять в верхние слои мелкий камень, так как в случае расстройства защитного покрытия постель из мелкого камня оказывается быстро размытой волнами и сооружение терпит аварию.

Камень недостаточной прочности неспособен сопротивляться высоким давлениям, передаваемым на постель ребрами стенки при ее вибрации под действием волн. Результатом этого является раздробление камня под ребрами стенки, что неизбежно влечет за собой усиленное раскачивание ее волнами, затем ее деформацию и в конце концов - нарушение устойчивости.

Менее опасно отсутствие у постели строительного подъема, который придается ей для компенсации осадки камня при его уплотнении и погружении в дно. В этом случае, однако, для возведения стенки до проектной отметки приходится увеличивать ее высоту, что вызывает удорожание сооружения и часто сопряжено с затруднениями в производстве работ.

Малая плотность постели облегчает пульсирующее движение воды внутри нее и высасывание грунта сквозь пустоты наброски во время волнения, а также способствует повышенной осадке и деформации сооружения. Причиной недостаточной плотности может послужить, в частности, устройство постели из сортированного камня.

Из-за неодинаковой степени уплотнения также происходит неравномерная осадка и деформация стенки. Весьма характерна деформация мола Шербургского порта в 1837 г., показанная на рис. 3. В описанном в п. 18 примере при восстановлении потерпевшего аварию сооружения отказались от применения стенки чисто вертикального типа только потому, что это было сопряжено с необходимостью уширить постель, которая по этой причине получилась бы неодинаково плотной по всей своей ширине.

Рис. 3. Деформация мола в Шербурге.

Следует отметить, что при прочих равных условиях деформации из-за неравномерной уплотненности постели наиболее опасны для стенок из крупных и монолитных элементов (например, массивов- гигантов). Однако стенка из обыкновенных или циклопических массивов в этом случае также потребовала бы излишней и весьма трудоемкой перекладки массивов вплоть до самого нижнего курса.

Возведение массивовых сооружений на нескальных грунтах часто сопровождается специфическими дефектами производства работ, порождающими деформации и аварии. Основной причиной деформации этого типа сооружений является форсированная укладка массивов, не соответствующая свойствам грунтов основания (см. выше).

Неправильности производства работ выражаются в укладке курсов массивов ранее практического затухания осадки предыдущих курсов, в отсутствии наблюдений за осадкой, ведении работ узким сосредоточенным фронтом, в неправильных приемах огрузки и пр.

Оградительные сооружения из массивов-гигантов требуют особо строгой последовательности производства работ. Установка сразу нескольких гигантов при невозможности их одновременного форсированного заполнения, оставление незаполненными некоторых отсеков, неудовлетворительная (с точки зрения темпа) общая организация работ по заполнению отсеков-- таковы основные дефекты, создающие неподготовленность гигантов к внезапным штормам и вызывающие аварии.

Если часть отсеков заполняется песком, гравием или камнем, то оставление неприкрытой засыпки влечет за собой ее вымывание, а затем и разрушение стенок гигантов.

Преждевременная заделка швов между гигантами до полной их осадки вызывает нажатие гигантов друг на друга при неравномерной их осадке, перекосах и наклонах, в результате чего оказываются поврежденными торцевые стенки и надстройка.

Бетон в тонких стенах гиганта должен обладать высокой плотностью и химической стойкостью. Помимо лучшего противодействия коррозии бетона и арматуры, высокая плотность бетона предотвращает фильтрацию воды в гигант. Благодаря этому достигается возможность укладки насухо бетонного заполнения, которая более надежно, чем укладка под воду, обеспечивает высокое качество бетона и хотя бы частичную связь заполнения со стенками.

Изготовление массивов-гигантов в подвижной опалубке обычно сопровождается двумя характерными дефектами: слабым рабочим швом между стенками и днищем гиганта, кавернами и недостаточной плотностью бетона в стенках. Оба эти дефекта способствуют коррозии стенок и фильтрации воды внутрь гиганта, что, как указано выше, отрицательно влияет на сохранность и долговечность сооружения.

Наброска массивов может иметь два основных дефекта, влияющих на устойчивость ее профиля: недостаточное заклинивание массивов в теле наброски и излишнюю крутизну откосов. Слабое заклинивание вызывает относительно легкое расшатывание и выбивание массивов волнами. Излишняя крутизна откосов влечет за собой усиленный удар волн и, что особенно опасно, угрозу интенсивного раскатывания массивов.

Для наброски массивов перед вертикальной стенкой, помимо этого, первостепенное значение имеет соблюдение надлежащей полноты профиля.

Распространено мнение, что в наброску вполне пригодны массивы, имеющие разнообразные недостатки. Действительно, для наброски не имеют значение небольшие отклонения размеров и формы массивов, недопустимые для правильной кладки. Однако другие дефекты массивов играют весьма отрицательную роль.

Массивы в наброске испытывают значительные изгибающие усилия при осадке профиля и от ударов волн. Они подвергаются раздроблению в местах опирания друг о друга и сильному истирающему действию волн. В силу этого массивы в наброске для своей сохранности должны обладать, помимо химической стойкости, также и повышенной прочностью против изгиба, раздробления и истирания. С этой точки зрения для них особенно вредны дефекты изготовления.

При употреблении в наброску массивов, изготовленных из недостаточно прочного, неплотного, химически нестойкого бетона, с применением слабого щебня или гравия, очень быстро повреждаются ребра, отбиваются углы и изъедаются грани. Массивы становятся округленными и легко подвижными, в результате чего раскатываются волнением и профиль неброски деформируется. В этом случае приходится систематически пополнять профиль наброски.

Представляется ошибочным, когда надводное строение возводят, не дождавшись окончания осадки и уплотнения постели и грунта в основании сооружения под нагрузкой подводной стенки и огрузочных массивов на ней, или когда вовсе не производят сгрузки стенки, несмотря на ее необходимость по грунтовым условиям. В результате такой поспешности может произойти усиленная дополнительная неравномерная осадка стенки, ее деформация и расстройство. К этой же категории дефектов производства работ относится устройство надводного строения раньше, чем под действием штормов уплотнилась каменная засыпка в сооружении. Вследствие последующего уплотнения камня под надводным строением образуются пустоты. Одновременно происходит деформация надводного строения.

Нарушение требования о возможно более интенсивном производстве начатых работ по устройству надводного строения может привести к повреждениям опалубки и свежей бетонной или каменной кладки. Такие же последствия могут иметь место в случаях применения для надводного строения бетона на медленно твердеющем в первое время цементе.

Сейсмические факторы

Переходя к вопросу о повреждениях, причиняемых оградительным сооружениям сейсмическими инерционными силами, следует прежде всего указать, что поскольку действие этих сил не совпадает по времени со штормовыми нагрузками, то конструкция гравитационной или свайной стенки, рассчитанная на динамические волновые нагрузки, оказывается также достаточно прочной и устойчивой против сейсмических сотрясений. Действительно, профиль гравитационной стенки назначается с таким расчетом, чтобы при коэффициенте трения по шву или по постели, равном 0,5--0,6, стенка имела достаточный запас устойчивости против сдвига. Поэтому горизонтальная сейсмическая сила, максимально равная половине веса стенки или ее части над швом, не может вызвать сдвиг по постели или по шву. Аналогичное рассуждение показывает, что правильно рассчитанная на волновые нагрузки гравитационная стенка не может быть также опрокинута инерционными сейсмическими силами.

Свайные стенки и сооружения из наброски находятся, очевидно, еще в более благоприятном положении при воздействии на них сейсмических сил.

Приведенные соображения подтверждаются многими наблюдениями за поведением оградительных сооружений при землетрясениях. Случаи аварии молов и волноломов от сейсмических воздействий насчитываются единицами, причем и в этих единичных случаях причиной аварии послужила деформация грунта в основании сооружения, а не слабость конструкции стенки.

Грунтовое основание под оградительным сооружением, попавшим непосредственно в зону трещин или сдвигов, оседает, либо выпучивается, либо разрывается, в результате чего стенка теряет опору и разрушается или сильно деформируется. Аналогичное разрушение терпит стенка корневой части мола, если она возведена на прибрежном оползневом или обвальном массиве, который до землетрясения имел небольшой запас устойчивости. Наконец, третьей причиной обрушения сооружения может явиться деформация грунта в его основании: разжижение и внезапная осадка рыхлого песчаного грунта под действием сейсмических сотрясений, сдвиг и осадка глинистого или илистого грунта под влиянием гидродинамических явлений при внезапном приложении дополнительных сейсмических нагрузок.

Анализируя данные известных аварий волноломов, построенных с применением массивов-гигантов, можно отметить следующие обстоятельства.

Частой причиной деформации первоначального профиля волнолома является выдавливание подсыпки из-под подошвы гиганта. Это обстоятельство подчеркивает необходимости при проектировании оградительных сооружений проверять устойчивость подсыпки на выпирание, особенно при малом коэффициенте запаса стенки на опрокидывание, большой нагрузке на постель и значительной толщине подсыпки. Нормативные методы проверки устойчивости основаны, в многих случаях, на способе Герсеванова с учетом очертаний тыловой части постели и наличия на ней пригрузки. Расчет может быть также произведен путем подбора наиболее невыгодной плоскости выпирания. Следует также оценивать общий расчет устойчивости постели и грунта под ней по методу круглоцилиндрических поверхностей скольжения и/или фиксированных поверхностей сдвига.

Как показывает практика портового строительства, обязательным условием применения массивов-гигантов является надежность основания - естественного или искусственно созданного путем замены грунта.

Анализ аварий позволяет сделать некоторые рекомендации по конструированию сооружений из гигантов. Склонность массивов-гигантов к вибрации и опасность местных особо сильных ударов волн придают важное значение большой массе гиганта и его надводного строения. Из этих соображений следовало бы проектировать массивы-гиганты возможно большей длины, однако, как показал опыт применения длинных гигантов, им свойственны некоторые дефекты: перекосы, трещины, переломы. Они объясняются тем, что не всегда удается достичь связи бетонного заполнения со стенками и фактически на изгиб в продольном направлении при неравномерной осадке часто работает только железобетонная оболочка. Поэтому для массивов-гигантов можно считать оптимальной длину 15--20 м, но при проектировании таких гигантов им необходимо придавать повышенный запас устойчивости на опрокидывание. Следует также производить проверку прочности конструкции оболочки гиганта на изгиб в продольном направлении.

Защита постели снаружи имеет решающее значение: слабость ее неизбежно приводит к подмыву массива-гиганта, наклону его к морю и в дальнейшем к опрокидыванию. В средних (по внешним воздействиям) гидрометеорологических условиях необходимо применять массивы весом минимум 50 т на внешней берме и 30 т на откосе. Уменьшение веса неизбежно приведет к необходимости периодической перекладки оттянутых к морю массивов. В местах сооружения, подверженных действию разбитой волны, вес защитных массивов должен быть увеличен.

При проектировании защитной одежды постели следует рекомендовать: увеличение длины берменных массивов за счет их ширины и высоты для устранения продольного шва между ними; придание вертикальности низу фасадной грани гиганта для плотного примыкания к ней берменных массивов; устранение клиновидного зазора между берменными и откосными массивами путем скашивания одной грани массивов, укладываемых на верхнюю часть откоса; укладку массивов на берме с уклоном к массиву-гиганту.

Тыловую берму постели, которой ранее придавали небольшое значение, на основе опыта эксплуатации ряда сооружений (в том числе и рассмотренного волнолома) следует считать одним из наиболее существенных элементов конструкции. Для того чтобы тыловая берма могла лучше выполнять свое назначение - повышать сопротивление постели выпучиванию, а также устойчивость стенки против скольжения по постели и общего сдвига вместе с грунтом основания, - она в необходимых случаях должна быть приподнята над подошвой стенки и пригружена массивами.

В отношении производства работ из анализа аварий волнолома рассматриваемого типа вытекают прежде всего некоторые рекомендации по устройству постели из каменной наброски. Постель необходимо отсыпать возможно ровными горизонтальными слоями по всему ее поперечному профилю. При отсыпке постели в несколько приемов с длительными перерывами между ними следует производить грубое выравнивание поверхности отсыпанной части постели. Недопустимо для выравнивания постели применять отсыпку сплошного верхнего слоя из мелкого камня. Весь порядок производства работ по отсыпке постели должен иметь целеустремленность к тому, чтобы постель получилась одинаковой и максимальной плотности и прочности. Морская и тыловая бермы постели к началу постройки вертикальной стенки должны уже по своей готовности быть в состоянии выполнять основное их назначение - предохранять стенку от подмыва подошвы, а постель - от выпучивания.

Устанавливать массивы-гиганты необходимо в строгой последовательности. Не рекомендуется устанавливать новый гигант, пока предыдущий не заполнен и должным образом не огражден защитными массивами. Тем более следует избегать установки сразу несколько гигантов. Строительное оборудование должно быть рассчитано на такую производительность, которая обеспечивала бы установку и заполнение каждого массива-гиганта в кратчайший срок (практически в 1--2 дня).

Размещено на Allbest.ru