Горгуца Р.Ю., Григорьев Д.В. Статья «Эффективные способы повышения сейсмостойкости существующих причальных сооружений» из сборника материалов международной научно-практической конференции в Санкт-Петербурге. 2017 г.
В работе представлен анализ актуальных нормативных документов и регламентов в области строительства причальных сооружений в сейсмически опасных районах. Рассмотрено и проведено сравнение вариантов усиления конструкций с целью повышения их сейсмостойкости.
Все сооружения, возводимые в Российской Федерации, проектируются и строятся с учетом требований и рекомендаций соответствующих нормативных документов (СНиП, РД, СП и т.п.). Морские причальные гидротехнические сооружения (далее – причальные ГТС) не исключение. Для причальных ГТС, расположенных в сейсмически опасных районах, как и для иных сооружений повышенной ответственности, существуют отдельные нормы и требования для проектирования с учетом сейсмичности площадки строительства.
В 70-е годы, в СССР уже были редакции нормативных документов для проектирования и строительства причальных ГТС в сейсмически опасных районах, это: СНиП II-А.12-62, СНиП II-А.12-69*, затем новая редакция СНиП II-7-81* и уже более известный в настоящее время российский свод правил: СП 14.13330.2014.
Сравнивать все эти документы в данной работе мы не будем, однако, хочется обратить внимание на карты общего сейсмического районирования (ОСР), которые прилагались к каждой редакции СНиПа и менялись в процессе каждого переиздания.
Сравнение карт общего сейсмического районирования для различных водных бассейнов, при переиздании сейсмических норм.
Благодаря представленной таблице наглядно видна последовательность повышения сейсмичности отдельных районов при введении в действие более современного нормативного документа. Но ведь причальные сооружения уже построены, никто их не реконструировал и не усилял при выходе той или иной редакции сейсмического СНиПа. Для дальнейшей безопасной работы все эти сооружения требуют дополнительного сейсмоусиления.
Рассмотрим более подробно некоторые виды конструкций причальных ГТС, находящихся в сейсмически опасных районах.
Причальные ГТС типа «больверк»
«Больверк» или тонкая подпорная стенка – самый распространенный тип конструкции причальных ГТС. Подобные сооружения хорошо себя зарекомендовали в гидротехническом строительстве и широко применяются на всей территории нашей страны.
В качестве примера рассмотрим конструкцию причалов №№1-3, расположенных на мысе Сигнальный в морском порту Петропавловск-Камчатский.
Рис. 1 – Мыс Сигнальный и причалы №№ 1-3 в морском порту Петропавловск-Камчатский
Причалы построены в 1955-1957 годах. Год последней реконструкции – 1983. Конструкция типа «больверк» выполнена из шпунта Ларсен 5, заанкеренный за анкерную плиту тягами диаметром 75 мм. Конструктивный разрез рассматриваемого сооружения приведен на рис. 2.
Рис. 2 – Конструктивный разрез причалов №№ 1-3
При расчете подобных конструкций на основное сочетание воспользуемся рекомендациями РД 31.31.55-93 [1]. Определим активное и пассивное давление на лицевую стенку, вычислим усилия в элементах конструкции.
Выполняя же расчет на особое сочетание усилий (сейсмика), обратимся к методу пересчета бокового давления на лицевую стенку, согласно РД 31.3.06-2000 [2]. Суть метода заключается в пересчете коэффициентов активного и пассивного давления грунта на лицевую стенку с учетом сейсмического воздействия, в определении новых внутренних усилий в элементах конструкции.
Рис. 3 – Построение эпюр активного и пассивного давлений грунта при основном и особом сочетании
Наглядно видно, что при особом сочетании нагрузок (сейсмика) активное давление грунта увеличилось, а пассивное уменьшилось. Отсюда следует вывод, что возрастают и внутренние усилия в элементах конструкции.
Получается, что если сооружение безаварийно эксплуатируется в обычном режиме, то при сейсмическом воздействии (по новым, современным нормам) оно без повреждений не сможет воспринять расчетные нагрузки.
В разные периоды времени проводились обследования, и выполнялся анализ конструкций типа «больверк» подвергшихся серьезным сейсмическим воздействиям. В результате подобных работ был выявлен ряд конструктивных особенностей, недочетов и ошибок в конструкции подобных причальных ГТС, которые повлекли к серьезным разрушениям. Рассмотрим конкретные прошедшие землетрясения.
Тохоку, Япония 2011 г. Великое восточно-японское землетрясение. У побережья префектуры Мияги северо-восточнее Токио произошло одно из самых сильных землетрясений за последние годы. Магнитуда подземных толчков составляла 9,0 баллов. Весь мир облетели кадры последствий этого поистине опустошительного землетрясения и цунами, последовавшего за ним. Тяжелейший урон от воздействия стихии понесли и причальные ГТС. Многие конструкции были частично повреждены. А некоторые полностью разрушены. Наиболее характерными повреждениями тонких подпорных стенок являлись обрывы анкерных тяг и последовавшие вслед за этим, сверхнормативные перемещения лицевых стенок, провалы в покрытии и дальнейшее полное разрушение.
Рис. 4 – Последствия подземных толчков и цунами в Тохоку, Япония, 2011 г.
Еще одно землетрясение произошло в районе морской базы Пуэрто-Монт, Чили в 1960 г. Его еще называют Великим Чилийским землетрясением. В результате подземных толчков магнитудой 9.3-9.5 баллов анкерные крепления больверков оказались разрушены в местах нарезной части тяги (там, где соединения с муфтами). Отдельные разрывы произошли в местах крепления анкеров к шпунтовым стенкам из-за коррозии закладных деталей.
Рис. 5 – Последствия подземных толчков в Пуэрто-Монт, Чили в 1960 г.
Представленная ранее конструкция причалов №№1-3 тоже перенесла серьезное землетрясение. 4 мая 1959 г. произошла серия подземных толчков магнитудой примерно 8 баллов. В результате толчков в морском порту Петропавловск-Камчатский наиболее сильные повреждения получили конструкции находящиеся в процессе возведения или при недостаточной прочности анкерных тяг.
На основании этих наблюдений, можно сделать выводы:
– Обрывы анкерных тяг свидетельствуют о возросшей горизонтальной нагрузке, возникающей при сейсмическом воздействии (см. рис. 3);
– Именно анкерные тяги должны быть усилены в первую очередь, т.к. именно они воспринимают передающуюся на лицевую стенку горизонтальную составляющую сейсмической нагрузки;
– Если не повышать несущую способность существующих причальных ГТС, расположенных в сейсмически опасных районах, то с ними может произойти абсолютно то же самое, что и в Японии, Чили.
В настоящее время нет ни одного нормативного документа, регламентирующего непосредственно сейсмоусиление существующих сооружений, в котором были бы представлены наиболее актуальные и современные методы повышения сейсмостойкости. Приходится следовать требованиям и рекомендациям для строительства новых сооружений и прибегать к помощи РД 31.31.38-86 [3], (разработанный для полной реконструкции причальных сооружений) для возможности повышения сейсмостойкости причальных ГТС.
Рассмотрим варианты усиления, представленные в РД 31.31.38-86 [3], и попробуем применить эти решения для сейсмоусиления рассматриваемого причала. Вот некоторые из них:
Рис. 6 – Варианты усиления конструкции типа «больверк».
– Погружение шпунтовой оторочки и новая анкерная система;
– Устройство разгрузочной плиты;
– Погружение экранирующих рядов;
– Возведение нового сооружения;
– Устройство грунтовых анкеров;
– Закрепление грунта основания причала и др.
Большинство этих методов является чрезвычайно трудоемким и требуют значительных затрат материальных ресурсов.
Компания ООО «Морстройтехнология», проанализировав возможные варианты, применила способ сейсмоусиления существующей конструкции посредством установки грунтовых анкеров. По сравнению с остальными способами, приведенными на рис. 6, грунтовые анкера наиболее эффективно способны воспринять горизонтальную составляющую сейсмической нагрузки. Именно этот способ позволяет существенно повысить несущую способность конструкции причала без значительных трудозатрат и капиталовложений.
Рис. 7 – Установка грунтовых анкеров для сейсмоусиления рассматриваемых причалов №№1-3 в морском порту Петропавловск-Камчатский.
Аналогичное решение было принято при сейсмоусилении и реконструкции причала №28 в морском порту Новороссийск.
Рис. 8 – Установка грунтовых анкеров на причале №28 в морском порту Новороссийск.
Рассмотрим еще один вариант сейсмоусиления причала типа «больверк».
Причалы №№34,35 в морском порту Восточный, выполненные в виде тонкой подпорной стенки. Год постройки – 1986. Паспортная сейсмостойкость – 7 баллов.
В настоящее время сейсмичность района повышена до 8-ми баллов. Сооружение необходимо сейсмоусилять.
Проанализировав возможные варианты и учтя пожелание заказчика о реконструкции существующих подкрановых и железнодорожных путей, компания ООО «Морстройтехнология» и приняла решение произвести сейсмоусиление рассматриваемых причалов посредством закрепления грунтов методом струйной цементации (Jet-технология). Данный метод позволяет существенно повысить характеристики грунта засыпки причала, снизить момент в лицевой стенке и анкерную реакцию при возросшей сейсмической нагрузке.
Более подробно о технологиях по закреплению грунтов в гидротехническом строительстве рассмотрено в статье «Реконструкция причалов типа «больверк» путем изменения характера работы сооружения с распорного на гравитационное» [4].
Рис. 9 – Устройство грунтоцементных свай на причалах №№ 34, 35 в порту Восточный.
Поверочные расчеты в программном комплексе PLAXIS 2D показали, что после выполнения закрепления грунтов сейсмостойкость конструкции причала повысилась до необходимых 8 баллов.
Стоит отметить, что обследование причалов после землетрясения в Тохоку показало, конструкции причалов, на которых было проведено подобное закрепление грунтов, оказались наименее пострадавшими
Причальные ГТС эстакадного типа
Следующий рассматриваемый тип конструкций, который также распространен при строительстве причальных ГТС – это конструкции эстакадного типа.
В качестве примера рассмотрим причал №16 в морском порту Новороссийск. Год постройки – 1962. Причал выполнен в виде высокого свайного ростверка с подпричальным откосом. Свайное основание представлено преднапряженными железобетонными сваями диаметром 1,6 м, объединенными верхним строением. Подпричальный откос представляет собой послойную укладку сортированным камнем.
Рис. 10 – Конструкция причала №16 в Морском торговом порту Новороссийск.
В настоящее время сейсмичность района, где расположен причал, по-высилась с паспортных 7 до 9 баллов.
Конструкция рассчитывалась в программном комплексе SCAD Office методом конечных элементов. Проводилось преобразование статических нагрузок в массы, добавлялась присоединенная масса воды в сваях. В ре-зультате расчета на сейсмическое воздействие 9 баллов были выявлены сверхнормативные перемещения конструкции, моменты в сваях, превы-шающие допустимые, и принято решение по сейсмоусилению.
Как и с конструкцией «больверк», для данного типа причальных ГТС нет никакой разработанной нормативной базы для повышения непосред-ственно сейсмостойкости, поэтому обратимся к РД 31.31.38-86 [3] и рас-смотрим конструктивные решения, которые можно применить для этого типа сооружений.
Рис. 11 – Варианты усиления конструкции эстакадного типа.
– Погружение новых свай, в том числе наклонных;
– Погружение экранирующих элементов;
– Возведение нового сооружения и т.п.
Рассмотрев возможные варианты сейсмоусиления, компания «Морстройтехнология» решила применить вариант закрепления конструкции грунтовыми анкерами, устанавливаемыми на край существующего сооружения и погружаемые до не разжижаемых грунтов. Анкера, как и в случае с больверками, располагаясь по направлению к действующей горизонтальной составляющей сейсмической нагрузки, наиболее эффективно способны эту нагрузку воспринять. Подобный метод позволяет беззначительных земляных и свайных работ существенно уменьшить перемещения конструкции и вернуть изгибающие моменты в сваях в рамки допустимых.
Рис. 12 – Схема установки грунтовых анкеров.
Рис. 13 – Схема деформаций причального сооружения.
Согласно поверочным расчетам, конструкция стала устойчива на сей-смическое воздействие в 9 баллов.Гравитационные сооружения. Сооружения из массивовой кладки.
Последний рассматриваемый тип конструкции – это гравитацион-ные сооружения, выполненные из массивовой кладки.
В качестве примера возьмем причал базы боновых заграждений нефтерайона «Шесхарис» в морском порту Новороссийск.
Год постройки – 1966, год последней реконструкции – 1978. Соору-жение выполнено в виде правильной кладки бетонных блоков с монолит-ной ж.б. надстройкой. Согласно паспорту причального сооружения – сей-смостойкость 7 баллов. В настоящее время проводятся проработки вариан-та усиления существующего сооружения с учетом требований действующей нормативной документации.
Эпюры усилий, действующие на сооружение при основном и особом сочетании (сейсмика), приведены на рис. 14. Представлено увеличенное за счет сейсмических коэффициентов [2] активное давление грунта и допол-нительная волновая нагрузка. В ходе расчетов была выявлена недостаточ-ная устойчивость сооружения на плоский сдвиг при горизонтальной сей-смической нагрузке. Принято решение о проведении мероприятий по уве-личению сейсмостойкости.
Рис. 14 – Причал базы боновых заграждений нефтерайона Шесхарис МТП Новороссийск. Конструктивный разрез.
На данный тип сооружений, как и на рассмотренные ранее, не суще-ствует актуальных норм и рекомендаций для повышения непосредственно сейсмостойкости. Воспользуемся РД 31.31.38-86 [3] и проанализируем предлагаемые варианты усиления конструкции.
Рис. 15 – Варианты усиления конструкции гравитационных сооружений.
– Возведение нового сооружения;
– Устройство разгрузочных плит;
– Экранирование;
– Закрепление грунта засыпки;
– Устройство анкерных системи др.
Рассмотрев возможные варианты, компания «Морстройтехнология» приняла схему усиления конструкции грунтовыми анкерами.
На рис. 16 представлена схема сейсмоусиления конструкции. Часть грунтовых анкеров – вертикальные, устанавливаемые через специально пробуриваемые алмазным буром отверстия, а другая часть – классические наклонные. Вертикальные анкера служат для объединения отдельных друг от друга ярусов конструкции, а наклонные (близкие к горизонтали) рассчитаны на восприятие горизонтальной сейсмической нагрузки.
Рис. 16 – Усиление сооружения из массивовой кладки грунтовыми анкерами.
Результатом проведенных мероприятий стало повышение сейсмо-стойкости сооружения до проектных 9 баллов.
Вывод
На основе проведенного анализа, можно сделать следующие выво-ды.
В России, в сейсмически опасных районах, существует ряд причальных ГТС, сейсмостойкость которых, ниже нормативной, в силу изменившихся норм и стандартов. Подобная ситуация может привести к катастрофическим последствиям (аналогичным в Японии и Чили) в случае возник-новения землетрясения.
На нормативном уровне, необходимо закрепить понятие «сейсмоусиление» причальных ГТС. Разработать свод правил для повышения сей-смостойкости причальных ГТС, в которых будут представлены современные и высокотехнологичные методы по усилению конструкций сооружений.
Литература
1. РД 31.31.55-93 «Инструкция по проектированию морских причальных и берегоукрепительных сооружений»;
2. РД 31.3.06-2000 «Руководство по учету сейсмических воздействий при проектировании морских ГТС типа больверк»;
3. РД 31.31.38-86 «Инструкция по усилению и реконструкции причальных сооружений»;
4. Николаевский М.Ю., Горгуца Р.Ю., Соколов А.В. «Реконструкция прича-лов типа «больверк» путем изменения характера работы сооружения с распорного на гравитационное»;
5. Кульмач П.П. «Сейсмостойкость портовых гидротехнических сооружений» – М.: Транспорт, 1970. – 312 с.
6. American Society of Civil Engineers (ASCE). Tohoku, Japan, earthquake and tsunami of 2011: survey of port and harbor facilities, northern region. 2014.
7. СП 14.13330.2014 «Строительство в сейсмических районах».