книги из ГПНТБ / Техническая эксплуатация портовых сооружений

видов при постоянном загруженни в течение длительного времени могут быть значительно уплотнены и превращены в надежное ос­ нование. При быстром их загруженни могут возникнуть значитель­ ные гидродинамические напряжения (в результате быстрого отжа­ тая воды из грунта), которые передаются на прилегающие часта сооружения — сваи, берегоукрепления и пр. и нередко приводят к деформации их.

Песчаные грунты, как правило, могут считаться весьма надеж­ ными основаниями, однако при рыхлом их залегании в естествен­ ном состоянии, а также при недостаточном уплотнении в процессе отсыпи ,в пазуху за сооружением подобные грунты нередко вызы­ вают значительные осадки возведенных на них сооружений. Это осо­ бенно относится к мелким водонасыщенным пескам — как чистым, так и с примесью илистых частиц. Осадки сооружений на песчаных основаниях обычно происходят внезапно и могут достигать зна­ чительных величин. Наиболее чувствительны к осадкам гравита­ ционные сооружения.

Очень важно знать характеристику грунтов, залегающих на поверхности дна, так как это позволяет дать оценку устойчивости донных грунтов против размыва их винтами судов и местными течениями. Геологические факторы должны учитываться также при капитальном ремонте сооружений. Нарушение естественного со­ стояния грунтовых массивов, вскрытие слоев грунта, подвержен­ ных размоканию, неисправность водоотвода, взрывы и вибрации вблизи ремонтируемого сооружения могут вызвать повреждения его и деформации прилегающих сооружений.

Важным гидрологическим фактором является волнение, дейст­ вию которого в первую очередь подвергаются внешние огради­ тельные сооружения и рейдовые причалы. Опасность волнового воздействия на сооружение во много раз увеличивается при нали­ чии на нем неисправностей и повреждений. Удары волн — это дина­ мические усилия, действующие на сооружения, которые вызы­ вают появление дополнительных напряжений, иногда противопо­ ложного знака, а также механическое разрушение отдельных эле­ ментов сооружений. В сквозных сооружениях, например свайных эстакадах и пирсах, действие волн вызывает опасные вибрации. При волнении взмучиваются тяжелые частицы донного грунта (песок, галька и др.), ударное и истирающее действие которых присоединяется к удару волн. Постоянно повторяющиеся удары волн вызывают появление напряжений разного знака, неодинако­ вой силы и периодичности, что приводит к усталости материалов.

Волнение и морские течения способствуют более энергичному вымыванию из поверхностных слоев бетона его растворимых ча­ стей и всех новообразований, являющихся результатом химическо­ го разложения его от действия морской воды. Колебания уровня (приливы и отливы, сгоны и нагоны и др.), создают нередко небла­ гоприятные для сооружения подпоры воды. При этих условиях должна быть обеспечена нормальная работа дренажных устройств. Периоды с пониженным уровнем воды целесообразно использовать

107

для осмотра и ремонта участков сооружений, расположенных з зоне переменного уровня. К агрессивным гидрологическим факто­ рам также следует отнести механическое действие льда на соору­ жения.

Наиболее суровые условия службы бетонных и железобетон­ ных гидротехнических сооружений в портах Крайнего Севера и Дальнего Востока, где разрушаются в зоне переменного уровня не только неморозостойкие бетоны на пуццолановых портландцементах, но и бетоны на портландцементах разных видов и сульфа­ тостойких портландцементах. В этих районах разрушение бетона происходит гораздо быстрее, чем в морях с малыми колебаниями уровня. Вне зависимости от района железобетонные сооружения разрушаются всегда быстрее бетонных и более интенсивно в растя­ нутой зоне, чем в сжатой. Во всех районах процесс разрушения материала протекает наиболее интенсивно в зоне переменного уровня воды.

В подводных частях сооружения происходит обычный медлен­ ный процесс коррозии бетона, вызываемый химическим действием морской воды с появлением заметных признаков разрушения толь­ ко после длительных сроков эксплуатации сооружения. Это под­ тверждается хорошей сохранностью бетона в подводной зоне раз­ личных по конструкции сооружений.

В приливных морях, а также в портах морей, где горизонт во­ ды изменяется в результате других причин, например сейш, бари­ ческих волн, сгонно-нагонных явлений и др., основной причиной интенсивного разрушения бетона, расположенного в зоне перемен­ ного уровня воды, является разрушение под воздействием воды, замерзшей в порах бетона, при низкой температуре, когда поло­ жительная температура воды периодически сменяется низкой тем­ пературой воздуха. Крупные разрушения наблюдаются в бетонных и железобетонных сооружениях, расположенных в районах с жар­ ким климатом. В этих условиях при периодическом насыщении и испарении морской воды в порах бетона происходит интенсивный процесс кристаллизации солей морской воды и продуктов хими­ ческой реакции ее с бетоном со значительным увеличением в объе­ ме, что приводит к возникновению неравномерно распределенных напряжений и температурно-усадочных деформаций, вызывающих

растрескивание и разрушение бетона.

Подобные явления имеют место и при физическом действии по­ переменного замораживания и оттаивания бетона, но в большин­ стве случаев протекающем более быстро и с наиболее крупными

разрушениями.

Исследованиями, проведенными НИИЖ Бом, установлено, что процессы разрушения бетона могут происходить также при много­ кратном изменении отрицательной температуры без перехода че­ рез ноль. В этом случае одной из основных причин разрушения влажного бетона является накопление льда в крупных порах и смещение точки плавления его в сторону более высоких отрица­ тельных температур.

10F

В результате обширных исследований, проведенных у нас и за рубежом, предложено несколько гипотез о причинах разрушения бетона при действии отрицательных температур; основными из них являются: кристаллизационное действие льда; гидравлическое давление, возникающее в капиллярах при отжатая воды из зоны замерзания; гидростатическое давление в порах и капиллярах от возникающих тангенциальных напряжений растяжения в стенках капилляров; неодинаковые коэффициенты линейного расширения льда и скелета бетона.

В настоящее время на основании экспериментальных исследо­ ваний доказана ошибочность гипотезы фиксации влаги морозом, которая наблюдается в материале в последний момент перед замо­ раживанием.

Базируясь на теории миграции влаги, разработанной советски­ ми учеными А. Ф. Лебедев, А. В. Лыков, М. И. Сумгин, Н. А. Цитович и др.), раскрыт и объяснен механизм замерзания бетона при различной его влажности. Гипотезы о механизме попеременного за­ мораживания и оттаивания бетона в большинстве случаев правиль­ но освещают и объясняют отдельные стадии этого процесса, но по­ ка не дают общепризнанной законченной теории всего процесса физической коррозии бетона.

Одним из агрессивных факторов по отношению к бетону являет­ ся соленость морской воды. Химическая коррозия бетона имеет ме­ сто и в пресной воде, но в морской и других минерализованных водах она протекает интенсивнее за счет содержания в них магне­ зиальных и сернокислых солей кальция и натрия.

Общее содержание солей в морской воде в среднем составляет 34—35%о, или 34—35 г на 1 л воды. Соли в морской воде в основ­ ном состоят из хлоридов и сульфатов натрия, магния, кальция и ка­ лия.

Основными вещественными характеристиками морской воды яв­ ляются соленость и хлорность. Основной солевой состав морской

Со­ 18,979 2,6486 0,1397 0,0646 0,0013 0,0260 10,5561 1,2720 0,4001 0,3800 0,0133

дер­ жание,

%о

% от 55,04 7,68 0,41 0,19 0,004 0,07 30,61 3,69 1,16 1,10 0,04

суммы соле­ вого соста­ ва

109

вод, а также других гидрогеологических факторов и геотехниче­ ских характеристик грунта.

Для иллюстрации агрессивного воздействия на сооружения при­ родных и эксплуатационных факторов ниже приводятся примеры наиболее характерных разрушений бутобетонных, бетонных и же­ лезобетонных конструктивных элементов гидротехнических соору­ жений, работающих в разных гидрометеорологических условиях.

Взоне переменного уровня на одном из причалов в Кольском заливе после 28-летнего срока службы бутобетонные массивы пол­ ностью разрушились. Причал имел несколько капитальных ремон­ тов и затем выведен из эксплуатации. Разная степень разрушения бетона по высоте сооружения хорошо прослеживается у бетонного брашпильного массива на одном из сооружений в том же порту, имеющем срок службы около 30 лет. Наибольшие разрушения на­ ходятся на участках массива, расположенных около среднего уровня моря. Верхняя часть массива выше отметки максимальных (сизигийных) приливов хорошо сохранилась без видимых призна­ ков разрушения.

Взоне переменного уровня причала в одном из дальневосточ­ ных портов наблюдается крупнопористая губчатая структура бе­ тона и крупные каверны на нем — результат многолетнего воздей­ ствия агрессивной среды. В результате коррозии бетона разруша­ ется и вымывается растворная часть его, а затем выпадает круп­ ный заполнитель.

Более интенсивно протекает процесс разрушения железобетон­ ных конструкций. Весьма характерные коррозионные разрушения железобетонных призматических свай и элементов верхнего строе­ ния в сооружениях эстакадного типа, работающих в тяжелых гид­ рометеорологических условиях, приведены на рис. 78. Наиболее

крупные разрушения видны на участке сопряжения сваи с роствер­ ком, где осталась только сильно погнутая арматура. На других участках сваи в зоне переменного уровня оставшийся бетон непро­ чен и легко выкрашивается. Наблюдаются также массовые разру­ шения железобетонных элементов верхнего строения. На этом причале все сваи были защищены металлическими или деревянными футлярами, заполненными бетоном. Такая защита без теплогидроизоляции оказалась неэффективной, интенсивное разрушение бето­ на внутри футляров продолжалось. Разрушение сваи началось еще в период строительства. Причал с момента строительства почти непрерывно находится в капитальном ремонте и в настоя­ щее время по своему тяжелому техническому состоянию нуждает­ ся в срочной реконструкции.

На рис. 79. видны крупные разрушения железобетонных оболо­ чек (заполненных бетоном) причала-эстакады за 20-летний срок службы в одном из портов в западной части Баренцева моря. В наиболее опасной зоне (в пределах квадратурной амплитуды) пол­ ностью разрушена стенка оболочки и идет интенсивный процесс коррозии бетона внутреннего заполнения. В результате обследова­ ния технического состояния свайных железобетонных сооруже­

111

Рис. 78. Полное разрушение бетона на участке сопряжения свай с верхним строением

ний (эстакад, пирсов), работающих в более легких гидрометеоро­ логических условиях, установлено, что основной причиной крупных разрушений железобетонных элементов в надводной зоне за 25летний срок службы является коррозия арматуры.

В районах с жарким климатом наряду с коррозией арматуры происходит в порах бетона кристаллизация солей морской воды с увеличением в объеме, что в конечном итоге также приводит к растрескиванию бетона.

За последние 10 лет в портах Азово-Черноморского бассейна при строительстве причальных сооружений в качестве одной из ос­

112

розиопным разрушениям. В 1966—1967 гг. также наблюдались многочисленные случаи подобных разрушений свай в других пор­ тах этого района.

На новых причальных сооружениях в портах Азовского бассей­ на и северного побережья Черного моря, находящихся в эксплуа­ тации в течение разного периода времени (до 10 лет), через 2—3 года после окончания строительства на железобетонных сваях по­ явились опасные продольные трещины. Они расположены на уча­ стках сваи выше уровня воды до сопряжения с верхним строени­ ем и проходят по граням сваи вдоль угловых рабочих стержней арматуры или по фаскам вдоль ребер сваи. Эти повреждения име­ ют массовый характер, так как на многих причалах количество свай с разрушениями составляет 70—80% общего их числа в соо­ ружении. Типичные коррозионные разрушения свай в надводной части в виде продольных трещин показаны на рис. 80 и 81.

В результате изучения условий изготовления и забивки пред­ варительно напряженных свай выявлены многочисленные наруше­ ния в многооперационной технологии их производства на заводах железобетонных конструкций и установлен ряд недостатков и технологических нарушений в процессе выполнения работ по за­ бивке свай.

Обширный материал теоретических и практических исследова­ ний позволил установить основные причины преждевременного разрушения предварительно напряженных свай и разработать рекомендации по осуществлению мероприятий, улучшающих тех-

113

нологию изготовления и забивки свай и обеспечивающих их дол­

относятся: изготовление свай на открытом полигоне в зимнее вре­ мя; неправильный способ приготовления (выбор материалов, по­ вышенное содержание воды в бетоне и др.) и укладки бетона (не­ достаточное количество вибраторов и низкое качество вибрирова­ ния) , невыполнение заданного режима тепловлажностной обработки свай; недостаточная прочность свай к моменту отпуска арматуры;

подъема молота и его недостаточный вес; нерегулярная и несвое­ временная смена деревянных прокладок и «подбабка»; срезка го­ ловной части свай агрегатом с клиновидными зубьями, вызываю­ щая во многих случаях растрескивание сваи ниже уровня срезки.

Экспериментальные работы на опытных сваях, охватывающие все основные этапы технологии изготовления и забивки, позволи­ ли определить фактическую величину напряжений обжатия, диа­ пазон динамических напряжений при ударах молота и установить влияние этих напряжений на дальнейшую сохранность свай.

Учитывая, что в производственных условиях возможны значи­ тельные колебания прочности бетона свай в ряде случаев с не­ большим запасом, представляется целесообразным в дальнейшем производить назначение проектной марки 'бетона с учетом динами­ ческих напряжений, возникающих при забивке. Методы таких рас­ четов в настоящее время разрабатываются на основании исследо­ ваний, проводимых Ленморниипроектом, ОИИМФом, ЦНИИСом, НИИЖ Бом, ОИ СИ и другими научно-исследовательскими органи­ зациями.

В практике транспортного строительства находят широкое применение железобетонные цилиндрические сваи-оболочки и по­ лые сваи. В частности, в морских и речных гидротехнических соо­

строительстве и эксплуатации причальных сооружений эстакад­ ного типа на сваях-оболочках.

Так же как и в призматических сваях наиболее опасным ви­ дом разрушений свай-оболочек являются продольные трещины в надводной части, образующиеся в процессе эксплуатации, а так­ же в подводной и подземной зонах, возникающие при погруже­ нии сваи-оболочки. Вертикальные трещины, образовавшиеся в над­ водной части оболочки, постепенно раскрываются, уходят под воду

114

свай-оболочек, проведенных Союзморниипроектом, Ленморнии-

бассейнов, обнаружены многочисленные случаи трещинообразования в надводной части свай-оболочек через относительно корот­ кий срок службы от 2 до 5 лет. В зависимости от условий службы и конструкции сооружения количество поврежденных свай-обо­ лочек в надводной части доходит до 30% от их общего числа в причале, а в некоторых случаях и выше.

До завершения исследований предположительно можно на­ звать следующие основные причины разрушения свай-оболочек: температурные деформации расширения бетонного заполнения (бетонной пробки) в зимнее время, вызывающие образование вер­ тикальных трещин в верхнем звене свай-оболочек (надводная часть); динамические воздействия столба воды и распорное уси­ лие грунтового ядра, вызывающие крупные трещины с выколами бетона в нижних звеньях сваи-оболочки при ее вибропогружении. Для обеспечения долговечности свай-оболочек должны быть разра­ ботаны мероприятия по улучшению их конструкции и технологии

вибропогружения.

Для предотвращения трещинообразования в надводной части железобетонных свай-оболочек при их эксплуатации Н. А. Смир­ новым предложена новая конструкция узла омоноличивания — бе­

1 По результатам обследования, проведенного Ленгипрорыбпромом.

115

тонная пробка. В предложенной конструкции с целью восприятия опасных деформаций монолитного бетонного заполнения и сваиоболочки во время замораживания в заделку включен амортизи­ рующий слой, расположенный в нише бетонного заполнения, со­

с обеспеченностью не менее 98%.

Амортизирующий слой изготавливается из битумно-шлаковой смеси (БШС) или другого термопластичного материала, обла­ дающего по сравнению с бетоном повышенными деформативной способностью и коэффициентом температурного расширения.

Разработан и опробован в производственных условиях ряд предложений по устранению причин, вызывающих продольные трещины в сваях-оболочках в процессе их вибропогружения. К основным разработанным мероприятиям относятся: эрлифтирование грунта из оболочки, применение специальных амортиза­ торов, устанавливаемых внутри оболочки, устройство разрушаю­ щихся наконечников, подмыв грунта в основании оболочки и др. Однако во многих случаях в сложных геологических условиях и при относительно больших глубинах названные средства оказа­ лись неэффективными. В результате исследований, проведенных Ленморниипроектом, рекомендовано вибропогружение свай-обо­ лочек производить с откачкой воды из оболочки. В этом случае отсутствует динамическое воздействие воды внутри оболочки и тем самым исключается образование трещин на оболочке при ее погружении.

Гидробиологические условия. В зависимости от вида приме­ ненных материалов флора и фауна моря по-разному влияют на долговечность гидротехнических сооружений. Агрессивность среды определяется количеством и видом растительных и живот­ ных организмов, а также степенью активной деятельности их, ко­ торая в свою очередь зависит от гидрологических факторов (соле­ ность, температура, глубина, скорость течений и др.).

Из основных материалов, применяемых в гидротехническом строительстве, наибольшему разрушению от агрессивных гидро­ биологических факторов подвергается дерево. Повсеместно де­ ревянные гидротехнические сооружения подвержены гниению,, а в некоторых районах Черного, Японского, Баренцева морей наи­ более интенсивные и крупные разрушения наносят им морские древоточцы. Опасными представителями последних с точки зре­ ния поражения деревянных конструктивных элементов являют­ ся червеобразные моллюски — тередо (корабельный червь), бан-

116