Автор: Ленская А. Б.
Общие сведения
- Одним из направлений концепции развития внутреннего водного транспорта РФ является усиление его
роли в обслуживании российского Севера и Арктики. В связи с этим большое значение имеет
обеспечение безопасности эксплуатации причальных сооружений в этих районах - Опыт эксплуатации и натурные исследования причальных сооружений распорного типа, применяемых
в условиях вечной мерзлоты, выявили специфические особенности их работы, связанные с наличием
ледогрунтового тела в засыпке за набережными, что обуславливает наличие резервов несущей
способности при эксплуатации, и следовательно, свидетельствует о их надежности и безопасности.
Актуальность темы: обеспечение безопасной эксплуатации
причальных сооружений на крайнем Севере
Цель исследования: подтверждение практических данных
геотехническим расчетным комплексом Plaxis 2D
Объект исследования: тонкостенное причальное сооружение
шпунтового типа
Задачи: сравнение основных параметров:
- максимальный изгибающий момент в стенке больверка
- перемещение шпунтовой стенки
- усилие в анкерной тяге
Конструкции распорных причальных сооружений для условий Севера
Рис 1 — Ряжевая набережная с надстройкой на р. Лена:
1 — ряж; 2 — надстройка из монолитного железобетона;
3 — заполнение скальным грунтом; 4 — заполнение бетоном.
Рис.2 — Причальная набережная из железобетона (причал
высокой воды Дудинского порта):
1 — монолитный железобетон; 2 — анкерная плита из жб;
3 — анкерная тяга из круглой стали на усилие 25 т;
4 — термоизоляция из пластин; 5 — настил из бревен;
6 — граница вечной мерзлоты; 7 — естественная
поверхность грунта.
Примеры строительства набережной из монолитного бетона на ряжевом основании. Более экономичным вариантом являются конструкции
гравитационных причальных сооружений из тонкостенного и сборного железобетона, отвечающие требованиям эксплуатации в суровых климатических
условиях. Такие набережные построены на Енисее в портах Осетрово и Томск, Дудинский морской порт.
Конструкции причалов типа больверк, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера
Опыт строительства портовых причальных сооружений показал, что наибольшее распространение в условиях Крайнего Севера получили
конструкции типа больверк, в основном, из металлического шпунта, которые по сравнению с гравитационными сооружениями, в большинстве случаев,
более экономичны.
В условиях вечной мерзлоты могут применяться почти все известные разновидности тонкостенных причальных сооружений. Ниже представлены
некоторые конкретные конструкции причалов типа больверк, эксплуатируемых в условиях Крайнего Севера.
Рис. 3 — Одноанкерный больверк в Нижнеянске:
I — шпунт «Ларсен-IV»;
2 — анкерная тяга из круглой стали ∅ 63 мм;
3 — анкерная плита из шпунта «Ларсен-IV»;
4 — отсыпка из гравийно-галечникового грунта;
5 — граница вечной мерзлоты до строительства
Рис. 4 — Одноанкерный больверк с разгрузочной платформой
на свайном основании (Дудинский порт — причалы высокой воды):
1 — шпунт «Ларсен-V»; 2 — надстройка из монолитного жб;
3 — анкерная плита из сборного жб;
4 — анкерная тяга из круглой стали диаметром ∅105 мм;
5 — разгрузочная платформа из сборного жб;
6 — сваи из шпунта «Ларсен-V»; 7 — свая из трубы 720 х 12 мм
Рис. 5 — Одноанкерный больверк из металлического шпунта
в Нижневартовске:
1 — шпунт «Ларсен-V»; 2 — анкерная плита из сборного жб;
3 — анкерная тяга из круглой стали ∅95 мм;
4 — подкрановая балка из монолитного жб;
5 — ригель из сборного жб;
6 — сваи из спаренного шпунта «Ларсен-V», шаг 2,52 м;
7 — крепление дна
Приведенные выше примеры показывают, что больверки являются наиболее распространенным типом причальных сооружений, применяемых на Крайнем Севере.
Схема работы тонкостенной набережной при зимней и летней конфигурации ледогрунтового тела
Анализ натурных данных о характере промерзания и оттаивания засыпок позволяет сделать вывод, что в условиях Севера в большинстве случаев
зона мерзлого грунта после постройки сооружения увеличивается, при этом существующая граница вечномерзлых грунтов обычно перемещается в
сторону кордона. Слияние вновь образовавшегося мерзлого тела с вечномерзлым массивом позволяет использовать высокие прочностные свойства
мерзлого грунта для повышения эксплуатационных нагрузок на причалы. Ледогрунтовое тело создает ситуацию, при которой часть грунта засыпки
становится как бы элементом сооружения и самостоятельно сопротивляется воздействию эксплуатационных нагрузок за счет развития напряжений,
которые лишь частично передаются элементам конструкции больверка или не передаются совсем.
На рис. 6 представлены данные измерений температурного
поля засыпки одного из причалов порта. Мерзлая область в
зимний период имеет вид плиты, которая смерзается с лицевой
стенкой с одной стороны и вечномерзлым массивом грунта — с
другой.
Летом конфигурация ледогрунтового тела может быть различной. На рис.1.2.2.
изображен поперечный разрез тонкостенной причальной набережной, засыпка
которой выполнена из песчано-гравийной смеси. Мерзлая область в летний период
(по данным бурения) имеет вид консольной плиты, выступающей из вечномерзлого
массива. Ширина зоны талого грунта со стороны лицевой стенки (в условиях
рассматриваемого порта) не превышает 3—8м.
Рис. 6 — Распределение температур в засыпке причала №2
Дудинского морского порта (по данным бурения) на 01.04.77 г.:
I — зона отрицательных температур;
II — зона положительных температур.
Рис. 7 — Положение границы вечномерзлых грунтов в засыпке причала Р-2 Дудинского
порта по данным бурения 03.78.
Методы учета специфики работы причальных сооружений на Севере при их эксплуатации
В свете вышеизложенного можно констатировать, что образующаяся в засыпке за причальными сооружениями на Крайнем
Севере мерзлая зона представляет собой фактор, который необходимо учитывать в процессе их эксплуатации. В связи с тем, что
очертание мерзлой зоны является различным в разные периоды года, влияние этого фактора меняется в сезонном разрезе, а также в
зависимости от возраста сооружения.
Ледогрунтовое тело, образующееся в засыпке, в силу своей высокой
прочности и значительных геометрических размеров существенно влияет на
распределение напряжений от эксплуатационных нагрузок на причале в
системе «стенка-грунт».
При талой засыпке полезная нагрузка передается непосредственно
грунту засыпки в месте ее приложения и создает соответствующее распорное
давление на лицевую стенку набережной.
В этом случае (рис.8) суммарный распор на лицевую стенку высотой L
от нагрузки q равен:
где a(q) — распорное давление грунта;
σ(q) — интенсивность вертикального давления грунта;
𝜆𝑎 — коэффициент распорного давления грунта.
Рис. 8 — Схема к определению распорного давления на стенку
от нагрузки q при талой засыпке.
Особенностью работы конструкции в зимний период времени является то, что ледогрунтовая балка, становящаяся как бы
элементом сооружения, превращает больверк в некую рамную систему с дополнительной анкерной тягой (рис. 9).
Рис. 9— Схема работы тонкостенной набережной при зимней конфигурации ледогрунтового тела в засыпке:
б) схематизация ледогрунтового тела; в) эпюра реактивного давления под подошвой ледогрунтовой плиты p(x,t) и распорного давления на стенку a[p(x,t)].
Реализация рассматриваемой задачи была основаны на инженерных методах расчета больверков с учетом наличия в засыпке
сооружения ледогрунтового тела.
Методика определения допускаемых зимних нагрузок на причалы Северных портов приведена в работе В.А. Будина [16] и Б.А.
Савко [104].
Расчет причальных набережных с промерзшей засыпкой выполнялся на основе расчетной схемы, в которой ледогрунтовая плита
рассматривалась как однопролетная балка на упругом основании с опорами в местах смерзания с лицевой стенкой и вечномерзлым
массивом грунта. Здесь значительная часть внешней нагрузки воспринимается стенкой и вечномерзлым грунтом в виде опорных
реакций балки, доля нагрузки, вызывающая распор на набережную, всегда значительно меньше, чем в случае талой засыпки.
Работа распорных причальных набережных при летней конфигурации мерзлого
ледогрунтового тела
Рис. 10 — Расчетные схемы решения задачи по определению распорного давления на стенку от нагрузки q(0,L_n) в
упругой и упругопластической (а) и инженерной (б) постановках.
Рис. 11 — Расчетная схема тонкостенной набережной при наличии остаточной мерзлоты в засыпке в летний период:
а) положение границы мерзлоты в засыпке;
б) расчетная схема ледогрунтовой плиты;
в) эпюры реактивного давления под подошвой ледогрунтовой плиты p(x) и распорного давления на стенку
𝑎[𝑞′(0, 𝐿)] и 𝑎[𝑝(𝑥)].
Грунтовый массив засыпки тонкостенной набережной разбит на три зоны: I — талого грунта шириной L , II — ледогрунтовой плиты
шириной Lп и III — мерзлого массива, ширина которого не ограничивается. Распорное давление от нагрузки 𝑞𝑞′
(0, 𝐿𝐿), приложенной
в зоне I талого грунта, определяется от полной ее величины. Нагрузка в зоне II передается ледогрунтовой плите, которую в
расчетной схеме можно рассматривать как консольную балку на упругом основании длиной Lп, переменного сечения, защемлен
одним концом в вечномерзлом массиве. При прогибе балки под нагрузкой q(L,L_n) в ее опоре возникает реакция Y и изгибающий
момент М, а со стороны подстилающего талого грунта — реактивное давление р(х) . Часть внешней нагрузки q(L,L_n) виде
опорной реакции балки воспринимает вечномерзлый массив, а другую часть — нижележащий талый грунт. Распорное давление на
сооружение от нагрузки q(L,L_n) определяется только величиной реактивного давления грунта под подошвой ледогрунтовой балки
р(х), в результате чего на стенку передается существенно меньшее распорное давление, чем то, которое образуется от полной
нагрузки q(L,L_n).
Расчеты причальных конструкций с учетом промерзания засыпки в расчетном комплексе Plaxis 2D
Для моделирования талого грунта использовалась упруго-идеально-пластическая модель (модель Кулона-Мора).
Для модели требуется задать: модуль общей деформации Е, коэффициент Пуассона ν, сцепление с и угол трения φ.
Для моделирования мерзлого грунта использовалась линейная упругая модель.
Эта модель требует определения двух параметров модуля общей деформации Е, коэффициента Пуассона ν.
Расчет производился для конкретной набережной Дудинского морского порта, конструкция которой представлена на риc. 2.
Выполнена следующая серия расчетов (при Нср = 3 м; Lср = 13 м):
- Расчет больверка при полностью талой засыпке.
- Расчет больверка при наличии в засыпке ледогрунтового тела летней конфигурации при следующих параметрах ледогрунтовой плиты
Заключение
- Наличие ледогрунтового тела приводит к тому, что передача распорного давление
грунта на стенку от полезной нагрузки на причале происходит иначе, чем в районах
с умеренным климатом - Усилия, полученные с помощью вычислительного комплекса Plaxis 2D, в основных
конструктивных элементах больверка существенно ниже, чем в результате
расчетов, выполненных в работах по традиционной методике. Поскольку
вычислительный комплекс учитывает деформации конструкций и специфические
особенности грунтов - Несущая способность распорных сооружений зависит от параметров (ширина,
высота) ледогрунтового тела, образующегося в засыпке. Параметры изменяются с
изменением температуры в засыпке, поэтому контроль температуры в
темоскважинах необходим. Т.к. от этого зависит, в том числе, несущая способность
причального сооружения.
Спасибо за информацию!