Теория и практика реконструкции причальных сооружений типа больверк посредством изменения характеристик (закрепления) грунтов обратной засыпки

Горгуца Р.Ю., Николаевский А.М. Статья «Теория и практика реконструкции причальных сооружений типа больверк посредством изменения характеристик грунтов обратной засыпки» в журнале «Гидротехника. XXI век» №3 (31)/2017

Ранее в журнале «Гидротехника. XXI век» №1(17)/2014 публиковалась статья ООО «Морстройтехнология» с теоретическими выкладками, которые доказывали возможность и целесообразность реконструкции причальных сооружений типа больверк посредством изменения характеристик (закрепления) грунтов обратной засыпки.

За прошедший период специалисты ООО «Морстройтехнология» продолжили исследования вышеуказанной темы и провели ряд теоретических, лабораторных и натурных исследований, которые послужили основанием для принятия решения о реконструкции в порту Санкт-Петербург причалов ООО «МГС-Терминал».

Основные характеристики причалов

Причалы ЖБ-1, ЖБ-2, ЖБ-3 ООО «МГС-терминал» расположены в Большой Турухтанной гавани морского порта Санкт-Петербург, г. Санкт-Петербург, Россия.

Основные характеристики причалов до проведенного ремонта по данным паспортов приведены в табл. 1.

Табл. 1. Показатели по существующим сооружениям

Причалы построены в 1959 году по проекту Проектного института № 1. Согласно паспортам, причалы представляют собой заанкерованный больверк с лицевой стенкой из французского стального шпунта (сечение-аналог Ларсен-IV). Шаг анкерных тяг 2,4 м. Тяги заанкерованы за анкерную стенку из шпунта Ларсен-IV. На причалах имеется рельсовый крановый путь с шириной колеи 10,50 м.

Рис. 1. Причалы ЖБ-1, ЖБ-2, ЖБ-3

Существующие конструкции причалов согласно паспортным данным рассчитаны на следующие нагрузки:
равномерно-распределенная:
– в прикордонной зоне – 10,0 кПа;
– в переходной зоне – 15,0 кПа;
– в тыловой зоне – 20,0 кПа.
крановая нагрузка:
– кран г/п 16 т;
– усилие на каток 250,0 кН (4 катка в тележке).

Задачи реконструкции

1. Продлить срок службы причальных сооружений.
2. Увеличить отметку дна до минус 9,0 в Б.С.В.
3. Увеличить эксплуатационную нагрузку на причалы:
равномерно-распределенная:
– в прикордонной зоне – 10,0 кПа;
– в переходной зоне – 40,0 кПа;
– в тыловой зоне – 60,0 кПа.
крановая нагрузка:
– кран г/п 32 т;
– усилие на каток 308,7 кН (4 катка в тележке).

Теоретические исследования

ООО «Морстройтехнология» выполнило серию расчетов причальных сооружений типа больверк. В связи с тем, что согласно РД 31.31.38-86 расчеты необходимо выполнять методом конечных элементов (п.5.8.1-5.8.2), принято решение о проведении расчетного обоснования в программном комплексе PLAXIS v 8.2. Данная программа представляет собой специализированный программный комплекс, основанный на методе конечных элементов, в условиях плоской задачи, которая может быть использована для расчета напряженно-деформируемого состояния различных типов конструкций, взаимодействующих с грунтом. Математическое моделирование выполнялось с использованием упругопластической модели Мора-Кулона (МС).

По результатам расчетов получено, что усиление грунтового массива вдоль причальных сооружений ЖБ1, ЖБ2 и ЖБ3 позволяет выполнить дноуглубление до напряженно-деформированного состояния конструкции причальных сооружений после закрепления грунтов прикордонного массива и увеличения эксплуатационной нагрузки проводилась следующим образом:
– 1 этап. Расчет существующей конструкции на паспортные нагрузки при существующей проектной отметке дна минус 7,3 м Б.С. Результаты расчетов представлены в табл. 2;

Табл. 2. Результаты расчетов существующей конструкции на паспортные нагрузки при существующей проектной отметке дна

– 2 этап. Моделирование закрепления грунтов в прикордонной зоне, увеличение эксплуатационной нагрузки, моделирование увеличения глубин до отметки минус 9,0 м Б.С. Результаты расчетов представлены в табл. 3. 

Табл. 3. Результаты расчетов укрепленной конструкции на увеличенные эксплуатационные нагрузки

По приведенным выше данным видно, что конструкции удовлетворяют заданным условиям прочности и устойчивости. Геометрические параметры и прочностные свойства грунтового массива после закрепления являются достаточными и должны быть использованы при дальнейших проработках.

Рис. 2 – Расчетная схема с усиленным массивом грунта. Общие деформации. Рис. 3 – Расчетная схема с усиленным массивом грунта. Форма потери устойчивости.

Лабораторные и полевые исследования

Для корректного моделирования области закрепления грунта, а так­же в соответствии с РД 31.31.38-86, ООО «Морстройтехнология» выполнило ряд лабораторных исследований закрепленного грунта обратной засып­ки, а именно определило их основные характеристики такие как модуль деформации, коэффициент Пуассона и зависимость модуля деформации от напряженного состояния грунта основания. Для выполнения исследований выполнен в натуре опытный участок размерами ориентировочно 24х15 м.

Испытания проводились в полевых и лабораторных условиях с привлечением специализированной, сертифицированной лаборатории Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого.

По результатам полевых и лабораторных исследований скорректировано расчетное обоснование, т.е. выполнена дополнительная итерация и уточнены длины грунтоцементных свай, их диаметр, шаг, местоположения и т.д.

Опытная огрузка

Цель опытной огрузки получить качественное влияние закрепленного грунта на напряжение в анкерных тягах и прогибах лицевой шпунтовой стенки.

Испытания проводятся на опытном участке (от ПК21.3 до ПК51.3) причала ЖБ-3 по утвержденной Программе. До начала испытаний на опыт­ном участке выполнено закрепление грунтов грунтоцементными сваями, проведены водолазное обследование лицевой стенки, промеры глубин перед сооружением «нулевой» цикл геодезических наблюдений за планово-высотным положением кордона причала (наблюдения в «нулевом» и во всех рабочих циклах велись по имеющимся маркам наблюдательной сети, а также по десяти дополнительно устроенным вдоль кордона с шагом 2 м наблюдательным точкам). Установлены датчики на анкерные тяги. 

В соответствии с Программой увеличение нагрузки производилось в три ступени. Загрузка осуществлялась путем укладки на территорию причала железобетонных плит с размерами 3,00 х 1,75 х 0,17 м и массой 2,2 т каждая. Загружались прикордонная зона Б и переходная зона В. На первой ступени создавалась нагрузка 1,68 тс/м², на второй – 2,94 т/м², на третьей – 3,78 тс/м² (см. фото).

Рис. 4 – Опытный участок. Рис. 5 – Лабораторные испытания.

На каждой ступени нагрузки было выполнено по два рабочих цикла геодезических наблюдений за планово-высотным положением кордона опытного участка причала и изогнутой осью шпунтовой стенки. Решения о переходе к очередной ступени нагрузки принимались с учетом результатов геодезических наблюдений и изучения результатов усилий в анкерных тягах по датчикам.

Полученные результаты на каждой ступени сравнивались с теоретическими результатами.

По результатам опытной огрузки причалов не выявлено недопустимых отклонений в планово-высотном положении конструкций причала ни на одной из ступеней нагрузки, а также получена удовлетворительная сходимость с теоретическими исследованиями и выкладками.

Рис. 6 – Опытная площадка на территории причала.

Сравнительная стоимость выполнения работ по вариантам реконструкции

ООО «Морстройтехнология» провела сравнительный анализ стоимости выполнения реконструкции причальных сооружений типа больверк на примере причалов ЖБ-1, ЖБ-2, ЖБ-3 ООО «МГС-терминал», а именно варианта реконструкции посредством закрепления грунтов, вариант реконструкции посредством выполнения оторочки и укрепления существующей стенки и перераспределения анкерной реакции посредством введения в работу грунтовых (инъекционных) анкеров. Сравнительная стоимость СМР за 1 п. м реконструкции приведена в табл. 4.

Табл. 4 – Сравнительная стоимость СМР

Выводы и рекомендации

1. На основании выполненной работы можно сделать вывод о теоретической, технической и технологической возможности и целесообразности выполнения реконструкции или капитального ремонта причальных сооружений типа больверк посредством изменения характеристик (закрепления) грунтов обратной засыпки.

2. Предложение ООО «Морстройтехнология» по реконструкции или капитальному ремонту причалов типа больверк посредством изменения характеристик (закрепления) грунтов обратной засыпки оказалось экономически целесообразным для Заказчиков.