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.

raising seismic resistance 02

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.

raising seismic resistance 01

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.

raising seismic resistance 03

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. 

raising seismic resistance 04

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.

raising seismic resistance 05

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.

raising seismic resistance 06

raising seismic resistance 07

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:

raising seismic resistance 08

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.

raising seismic resistance 09

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.

raising seismic resistance 10

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].

raising seismic resistance 11

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.

raising seismic resistance 12

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.

raising seismic resistance 13

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.

raising seismic resistance 14

Рис. 12 – Схема установки грунтовых анкеров.

raising seismic resistance 15

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.

raising seismic resistance 16

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.

raising seismic resistance 17

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.

raising seismic resistance 18

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».