Научная электронная библиотека

Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания

Основы проектирования гидротехнических сооружений, лесных бирж и рейдов приплава

Седрисев Д Н, Рубинская А В, Аксёнов Н В, Кожевников А К,

2.2. Силы и нагрузки, действующие на причальные сооружения

При проектировании и эксплуатации причальных сооружений важное значение имеет учет действующих сил, нагрузок и других воздействий.

Силы и нагрузки, учитываемые при расчете причальных сооружений, разделяются на следующие виды: эксплуатационные нагрузки; собственный вес (масса) конструкции и постоянных устройств, расположенных в пределах зоны, оказывающей воздействие на сооружение; давление грунта; нагрузки, образующиеся при взаимодействии судов и причальных сооружений; давление волн; действие льда.

К эксплуатационным нагрузкам относится: давление от портальных кранов и других машин и устройств, подвижного состава, железнодорожного и безрельсового транспорта и от складируемых грузов.

Первая группа нагрузок – подвижные, в виде сосредоточенных сил, действуют вдоль причала с интервалами, определяемыми расстояниями между катками кранов, осями колес, вагонов тепловозов и т.д. Нагрузка от кранов зависит от их грузоподъемности и типа.

Нагрузка от складируемых грузов – вторая группа – принимается равномерной, но интенсивность ее по разным зонам будет разная. Опыт эксплуатации показывает, что интенсивность нагрузки в существенной мере зависит от рода складируемого груза. Так, тарноупаковочные грузы (мешковые, в ящиках и т.п.), высота штабелей которых ограничивается прочностью тары, создают сравнительно небольшое удельноедавление 10 – 30 кН/м2. Несколько выше нагрузка от оборудования и тяжеловесов 30–60 кН/м2 . Давление от штабелей древесины принимается при высоте штабеля до 4 м – 20 кН/м2, а при высоте штабелей 8 – 10 м – 30–40 кН/м2. Груз, расположенный на различных расстояниях от кордонной линии, оказывает разное влияние на причальные сооружения. Как правило, по мере удаления в глубь территории влияние складируемой нагрузки на конструкцию сооружения уменьшается. Поэтому для рационального использования несущей способности причального сооружения нагрузки нормируются по зонам от прикордонной зоны (непосредственно прилегающей к кордонной линии, где могут оказаться лишь случайные грузы с ограниченной высотой штабелирования, интенсивность нагрузки берется наименьшей) до тыловой.

Собственная масса конструкции и постоянных устройств определяется по объемам отдельных элементов (массивов, свай, верхнего строения и т.д.). Среднюю плотность основных материалов, т/м3, можно брать по табл. 2.1.  

Таблица 2.1

Средняя плотность основных материалов

Примечание. Подводная средняя плотность пористых материалов (песок, камень, щебень) определяется с учетом взвешивания только твердого скелета.  

Давление грунта. При свободной отсыпки грунта образуются конусы или пирамиды, образующие которых составляют с горизонтальной плоскостью некоторый угол α, называемый углом естественного откоса.

Основным фактором, определяющим физико-механические свойства песчаных грунтов, является сила внутреннего трения, что с некоторым допущением справедливо и для связных грунтов (например, глина).

В момент скольжения по плоскости, проходящей внутри грунта, равнодействующая отклонится от нормали на угол φ. Этот угол характеризует сопротивление грунта сдвигу и называется при несвязных грунтах углом внутреннего трения грунтов. Угол φ ≡ α является одной из основных характеристик для инженерных расчетов.

Другой физической характеристикой грунта является средняя плотность r (объемный вес) 1 м3 грунта. Средняя плотность за счет пористости грунта меньше плотности твердого скелета.

В табл. 2.2 приводятся приближенные значения углов внутреннего трения и средней плотности, т/м3, для некоторых несвязных грунтов, полученные при лабораторных испытаниях.

Зная приведенные характеристики грунтов, можно определить давление последних на причальные стенки. Различаются два случая воздействия грунтов на ограждения: активное и пассивное. Активное давление возникает при смещении стенки от грунта. Пассивное давление (сопротивление) возникает, когда стенки надвигаются на грунт под действием внешней силы. Давления грунта на стенку, которое называется активным E_a (рис. 2.1, а), определяется из силового многоугольника (рис. 2.1, б).

Таблица 2.2

Значения углов φ и плотности грунтов

Здесь (рис. 2.1): G – вес сооружения; R – его реакция; g – временная распределенная нагрузка; h – высота стенки; ρ – плотность грунта; λ_a – коэффициент активного давления грунта:

λ_a = tg²(45° – φ/2), (2.4)

где T₁ и T – вертикальные силы трения грунта о стенку.

Откладывая эти величины, получаем эпюру распределения давления на стенку в виде трапеции (рис. 2.1, в)

При отсутствии временной нагрузки g = 0 = 0, эпюра получится в виде треугольника (пунктир на рис. 2.1, в)

Площадь всей эпюры (рис. 2.1, в) определяет полное активное давление:

(2.5)

Сила E_a приложена в центре тяжести трапеции:

(2.6)

При отсутствии распределенной нагрузки g = 0, .

Пассивное сопротивление грунтов возникает в нижней части заанкеренных больверков, когда грунт ниже уровня дна препятствует смещению стенки.

В отличие от активного давления в данном случае клин АВС, поскольку стенка движется на грунт, выпирает вверх. В связи с этим реакция грунтового массива отклоняется в обратную сторону (сравнить рис. 2.1, а, г).

В этом случае следует искать минимальное значение En (рис. 2.1, д), при котором начинается выпирание клина АВС

(2.7)

где E_n – пассивное давление (сопротивление).

Рис. 2.1 – Активное давление на стенку и пассивное сопротивление грунта:
а, г – расчетные схемы активного и пассивного давления на стенку; б, д – силовые треугольники; в, е – эпюры давления грунта; 1 – направление смещения стенки

Соответствующая эпюра распределения пассивного давления (рис. 2.1, е) определяется дифференцированием (2.7):

(2.8)

где коэффициент пассивного сопротивления λр

(2.9)

В приведенных выводах тыловая поверхность принималась гладкой.

В действительности реальные стенки всегда имеют шероховатость, вызывающую силы трения. При активном давлении (рис. 2.1, а) при сползании грунта в сторону стенки вниз, кроме горизонтальной составляющей, образуется также вертикальная сила T1 = E_atgδ_T, где δ_T - угол трения грунта о стенку.

Специальными исследованиями было установлено, что величину этого угла можно принять в пределах от 2/3 до 1,0 от значения угла j.

Когда возникает пассивное давление, грунт, выпираемый вверх, создает обратно направленную силу трения T₂ = Entgδ_T (рис. 2.1, г).

Уточнение активного давления и пассивного сопротивления на базе теории, учитывающей криволинейность поверхностей скольжения, сказывается на величинах коэффициентов распора λ_a и отпора λ_р. В табл. 2.3 приведены уточненные значения этих коэффициентов.  

Таблица 2.3

Значения уточненных коэффициентов λa и λр

Нагрузки, возникающие при взаимодействии между судном и причалом. При швартовных операциях, а также во время стоянки судна у причала возникает силовое взаимодействие, правильный учет которого имеет существенное значение для нормальной эксплуатации сооружения. В эксплуатационной практике нередко наблюдались случаи повреждений и аварий причальных сооружений из-за недоучета нагрузок, образующихся при швартовных операциях.

Нагрузки при стоянке судна у причала. Встречаются два случая взаимодействия судов на причальные сооружения при их стоянке: при навале судна под действием ветра и течения со стороны акватории и нагрузки от натяжения швартовов при отрыве судна от причала при обратном направлении ветра и течения.

При сплошном фронте кордонной лини причала давление ветра PВ передается на сооружение не по всей длине судна, а в пределах прямолинейной вставки lВ (прямой борт судна).

Ветровое давление зависит от скорости υx, м/с, ветра и боковой надводной поверхности F_с, м², судна, называемой парусностью.

Полное давление (кН) на борт судна определяют по формуле

(2.10)

где X – коэффициент, зависящий от длины судна.

Следует учитывать неравномерность распределения давления ветрана парусную поверхность, зависящую от длины судна. Эту неравномерность учитывают с помощью понижающего коэффициента X для усилия, принимаемого для судов

l_В ≤ 25 м; l_В = 25–50 м; X = 0,8; l_В = 50–100 м; X = 0,65; l_В > 25 м; X = 0,5.

Давление на 1 м причала определяется по формуле

(2.11)

Для определения ветрового давления следует знать величины F_с, l_В, υ_B. На основе анализа размеров и форм существующих типов судов величины Fс и lВ в зависимости от длины L судна можно определять по формуле F_с = αL² (табл. 2.4), где α - коэффициент формы корпуса судна.  

Таблица 2.4

Значение коэффициента

Нагрузки от натяжения швартовов. Этот вид нагрузки образуется при действии ветра со стороны территории и стремится оторвать судно от кордонной линии. Удерживается оно швартовными концами, закрепленными к тумбам. Нормальную составляющую усилий от натяжения швартовов на одну тумбу принимают равной

(2.12)

где n_T – количество тумб, зависящее от длины судна.

При длине судна 100–150, 250, 300 м и более количество тумб равно соответственно 4, 6, 8.

Волновое давление. В защищенных акваториях крупных водоемов и в речных условиях образуется обычно незначительное волнение, не оказывающее сколько-нибудь ощутимого влияния на причальные сооружения. Однако в некоторых случаях (рейдовые причалы, недостаточно защищенные акватории и бухты) волновое давление на причальные сооружения может быть значительным и должно учитываться.

Давление льда. Различают два вида давления льда – статическое и динамическое. Ледяное поле при понижении температуры расширяется.

Вследствие этого портовые сооружения испытывают статическое давление льда. Для причальных сооружений гравитационной конструкции благодаря их массивности статическое давление льда существенного значения не имеет. Более уязвимы сооружения сквозной конструкции на свайном основании. При больших деформациях льда отдельные сваи могут получить повреждения. Поэтому в портах с тяжелым ледовым режимом практикуют обкалывание льда вокруг свай, устройство утепленных прорубей и т.п.

Динамическое ледовое давление возникает при движении льда, действии течения, ветра и волны. Нагрузки, образующиеся при этом, могут быть весьма значительными, поэтому в некоторых случаях приходится возводить защитные сооружения (ледорезы, ледоскаты), разбивать ледяное поле взрывами и т.п.