Развитие морской торговли и ориентация на экспорт стратегических отраслей экономики Российской Федерации приводит к необходимости реализации процесса модернизации и развития морской транспортной инфраструктуры. Наибольшее распространение в России получили конструкции типа больверк, пик строительства которых пришелся на 1960–1970 годы. Это создает необходимость увеличения несущей способности причального сооружения типа тонкой стенки.

Эта статья содержит обзор и анализ некоторых инженерных решений, которые нашли широкое применение при реконструкции/усилении причальных сооружений типа тонкой стенки. Рассматриваются такие методы, как возведение оторочки, закрепление грунтов, устройство дополнительных уровней анкерных систем, как традиционных, так и грунтовых анкеров. Представлены преимущества и недостатки этих методов, а также результаты работ различных исследователей, решающий проблему увеличения несущей способности причального сооружения.

Ключевые слова: причальное сооружение, больверк, методы усиления и реконструкции, шпунтовая свая.

Введение

Активное развитие морских грузопотоков и формирование транспортных коридоров требует введения новых мощностей для портовой инфраструктуры. Наиболее распространённая причальная конструкция на территории России является сооружение типа больверк. Это делает актуальным вопрос увеличения несущей способности причального сооружения этого типа.

В отечественной практике нормативной литературой регламентируются методы реконструкции или усиления, которые схематично представлены на Рис.1. Однако наибольшее распространение получили методы устройства оторочки, устройства дополнительных анкерных систем и закрепления грунта.

Рис. 1. Схемы реконструкции и усиления больверка путем устройства [1]: а — оторочки в виде заанкеренного больверка; б — оторочки в виде эстакады; в — оторочки в виде свайного ряда; г — вертикальных экранирующих элементов; д — разгружающей платформы; е — дополнительных анкеров; ж — грунтовых анкеров; з — свайного основания подкрановой балки; и -закрепления грунта; 1 — проектное дно; 2 — существующее дно; 3 — оторочка; 4 — больверк; 5 — узел омоноличивания; 6 — экранирующий элемент; 7 — разгружающая платформа; 8 — тыловая опора; 9 -дополнительный анкер; 10 — грунтовый анкер; 11- подкрановая балка; 12 — свайное основание; 13 — закрепленный грунт

Выбор способа реконструкции зависит от таких параметров как инженерно-геологические условия строительной площадки, возможность и необходимость изменения существующей линии кордона; возможность эксплуатации в период строительно-монтажных работ; возможность дноуглубления; необходимость изменения категории эксплуатационных нагрузок или назначения сейсмичности площадки. В данной работе рассматриваемые методы усиления оценивались относительно данных критериев [2].

Методы усиления и реконструкции причального сооружения типа больверк

Метод устройства оторочек разных типов (рис.1.а-б.) предполагает возведение новой конструкции перед существующим сооружением. Данный вариант отличается технологической простотой, наличием большого опыта в практической деятельности и возможностью реализации в разных климатических условиях. Поэтому данный метод приобрел широкое распространения по всей территории РФ.

Однако метод устройства оторочки имеет ряд существенных недостатков, например, необходимость выноса кордонной линии и вывода сооружения из эксплуатации на время проведения СМР. От способа возведения новой конструкции зависит эффективность метода усиления, что рассматривалось в работе П. С. Корнюшина (2006 г) [3]. Дополнительным технологическим недостатком являться сложность монтажа анкеровочной системы за существующие элементы сооружения. В работе Г. В. Слабодняк (2016 г.) [4] было предложено конструктивное решение альтернативное традиционной анкеровочной системе. Дополнительную сложность для проектирования оторочки является учет остаточного ресурса существующего причального сооружения, так независимыми авторами Степаняном Т. А. (2011 г.) [5] и Елицуром Д. В. (2007 г.) [6] были предложены методы определения остаточного ресурса существующей конструкции.

Эффективность метода устройства дополнительного ряда традиционных анкеров (Рис.1.е) достигается за счет уменьшения свободной длины шпунтовой стенки (изменение расчетной схемы из однопролетной балки в многопролетную). Данный вариант имеет преимущества перед методом возведения оторочки, однако альтернативным ему может и не являться.

Преимуществами метода устройства дополнительного ряда анкеров является меньшая материалоемкость, отсутствие необходимости выноса кордонной линии и погружения дополнительных элементов в тело сооружения.

Однако в морских условиях разбираемый метод нецелесообразен в силу сложности производства строительно-монтажных работ. Прежде всего это связано с необходимостью проведения подводных операций. Несмотря на большое количество отечественных разработок [7–9], подводные методы устройства анкеров не нашли распространения на практике. Дополнительным существенным технологическом недостатком является сложность регулирования податливости анкерных устройств при монтаже. Одно из инженерных решений было предложено Пойзнером М. Б. (1994 г.) [10]. Сложность СМР объясняется чувствительностью метода к качеству выполнения работ по уплотнению обратной засыпки и заключается в явлении зависания грунта на анкерных тягах. В работе [11] Есиновский В. А. рекомендовал конструктивные мероприятия, позволяющие снизить напряжения в тягах от зависания грунта.

С развитием буровых технологий большую популярность приобретают методы закрепления грунта и устройства грунтовых анкеров.

В гидротехническом строительстве закрепление грунта (Рис.1.и) в основном представлено методом цементации. Данный метод способствует повышению физико-механических свойств грунта и основан на формировании прочных связей между частицами грунта и цементного вяжущего.

Метод закрепления грунта может рассматриваться альтернативным методу возведения оторочки как в морском, так и в речном строительстве. Это обусловлено рядом преимуществ: возможность применения для широкого диапазона грунтовых условий; высокая предсказуемость результатов характеристик грунто-цементного элемента; выполнение строительно-монтажных работ в условиях действующего предприятия в особо стесненных условиях без вывода причалов из эксплуатации; сохранение существующей линии кордона при возможности значительного дноуглубления; отсутствие работ по погружению шпунтовых свай и связанных с операцией проблем; эффективность возведения в сейсмических районах.

Однако новизна метода сопровождается неполнотой нормативной базы, сложностью подбора технологии производства и трудоемкостью методов контроля качества. В современных условиях уже ведутся разработки методик расчета причальных сооружений, усиленных данным методом, например, работа Степаняна Г. А. (2014 г.) [12]. Также проводятся обширные исследования по изучению эффективности закрепления грунтов [13], поведения грунтоцементного материала при статическом и динамическом нагружениях [14–15]; по разработке новых методов контроля качества [16].

Расчетная схема лицевой стенки причального сооружения, усиленного грунтовыми анкерами (Рис.1.ж), аналогична схеме с установкой дополнительных традиционных анкерных систем (анкерная тяга). Особенностью работы грунтового элемента является передача растягивающих усилий более глубоким слоям фундаментам через грунтовое тело (корня).

Устройство грунтовых анкеров, в сравнении с устройством традиционных анкерных тяг, минимизирует объемы подводных и земляных работ; не требует вывода сооружения из эксплуатации; способствует повышению уровня индустриализации и механизации строительного процесса; а также эффективно при необходимости сейсмоусиления и значительного дноуглубления.

Как и для метода закрепления грунтов, для варианта усиления причального сооружения грунтовыми анкерами характерна неполнота нормативной базы, высокий уровень технико-экономического обеспечения; технологическая сложность испытаний. Так как характер работы грунтовых анкера изучался еще в период Советского Союза, например, работа Мишакова В. А. (1984 г.) или Гуринского М. А. (1986 г.) [17–18], отечественные исследователи располагают научной базой. В современных условиях уже постепенно предлагаются новые инженерные решения, например, разработка специального оборудования для проведения испытаний грунтового анкера на глубинах до 5 м [19]; разрабатываются новые методики расчета [20], проводятся обширные модельные испытания [21–22].

Заключение

В данной работе проведен аналитический обзор некоторых из наиболее распространенных методов усиления причального сооружения типа больверк для задачи увеличения несущей способности конструкции. В течение последних десятилетий этому вопросу уделялось значительное внимание, и многие авторы представили результаты своей деятельности по исследованию эффективности разных методов усиления причального сооружения типа тонкой стенки. В публикациях рассмотрены как традиционные методы усиления (оторочка), так и «новые» (закрепление грунта, грунтовые анкера), которые стали приобретать популярность именно в последние десятилетия. Это связано с развитием технологии бурения грунтов.

Среди рассмотренных методов наиболее широко изучается метод закрепления грунтов. Однако он имеет ряд существенных недостатков, которые вводят ограничение на его применение и соответственно сдерживают его распространение.

В целом аналитический обзор выявил недостаток отечественных работ в области исследования влияния грунтовых анкеров на несущую способность причального сооружения в виде больверка.

Литература:

1. Николаевский, М.Ю., Горгуца, Р.Ю. and Соколов, А.В., 2014. Реконструкция причалов типа «больверк» путем изменения характера работы сооружения с распорного на гравитационный. Гидротехника. XXI век, (1), p.17.

2. Руководящие документы: Инструкция по усилению и реконструкции причальных сооружений: РД 31.31.38–86 / СОЮЗМОРНИИПРОЕКТ. — Введ. 01.07.1986. — М., 1987.

3. Корнюшин П. С. Дефекты конструктивных элементов причальных сооружений и их влияние на режим эксплуатации: на примере портов Дальнего Востока России: диссертация кандидата технических наук: 05.23.01. — Владивосток, 2006. — 188 с: ил. + Прил. (71с.:ил.).

4. Слободяник А. В. Инновационная конструкция глубоководного причального сооружения //Вісник Одеського національного морського університету. — 2016. — №. 1. — С. 94–100.

5. Степанян, Т. А. Обоснование мероприятий по реконструкции морских причальных комплексов: специальность 05.22.19 «Эксплуатация водного транспорта, судовождение»: дис.... канд. тех. наук / Степанян Тигран Арутюнович. — Москва, 2011. — 148 с. — EDN QFPCQP.

6. Елицур, Д. В. Повышение эффективности использования остаточного ресурса реконструируемых причальных набережных в районах Сибири и Крайнего Севера: специальность 05.22.19 «Эксплуатация водного транспорта, судовождение»: дис.... канд. тех. наук / Елицур Дмитрий Валерьевич. — Новосибирск, 2007. — 178 с. — EDN NOQGBJ.

7. Алексеев И. О. Природоохранные технологии ремонта морских гидротехнических сооружений с применением гермокамер. дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук.- СПб.: СПГТУ, 2001.-146 с.

8. Дуброва Г. А. Методы облегчения и удешевления гидротехнических сооружений. -М.: Речной транспорт, 1959.- 340 с.

9. Петренко А. Н., Коровкин В. С. Вариант шпунтовой стенки типа двуханкерный больверк с разным видом анкеровки//XXXVI неделя науки СПбГПУ. -2009. -№ 6(42). -С. 2.

10. Пойзнер М. Б. Исследование, разработка, совершенствование конструктивных решений и методов технической эксплуатации портовых гидротехнических сооружений: дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук- Москва: 1994–50 с.

11. Есиновский, В. А. Особенности работы анкерных устройств причальных сооружений в северной климатической зоне: специальность 05.23.07 «Гидротехническое строительство»: дисс. на соиск. уч. степ. канд. техн. наук. / Есиновский Виктор Аронович. — Москва, 2005. — 21 с. — EDN NJSPVN.

12. Степанян Г. А. Исследование несущей способности причалов, возводимых на илах большой мощности: Дисс. на соиск. уч. степ. докт. техн. наук. — Московская государственная академия водного транспорта, 2014.

13. Chen, H., Zhou, X., Niu, F. and Mei, T., 2024. Comparative study of soil pressure calculation methods for steel tubular-sheet pile wharf. In E3S Web of Conferences (Vol. 490, p. 01004). EDP Sciences..

14. Красилов А. А. и др. Экспериментальные исследования физических и механических свойств грунтоцемента на основе однородных песков одной фракции. Вестник Инженерной школы ДВФУ [Internet]. 2024 Jun. 29 [cited 2024 Sep. 10];2(2(59):96–108. Available.

15. Chen, S., Guan, Y. and Dai, J., 2023. Behaviour of anchored sheet pile quay stabilized with deep cement mixing columns in soft soil: Centrifuge and numerical modelling. Computers and Geotechnics, 160, p.105504.

16. Малинин, А. Г. Ультразвуковой способ контроля качества противофильтрационной завесы, выполненной по технологии струйной цементации грунтов / А. Г. Малинин, Д. А. Малинин // Метро и тоннели. — 2013. — № 1. — С. 16–19. — EDN UHOEBD.

17. Мишаков, В. А. Разработка конструкции и методики расчета инъекционных «грунтовых» анкеров, устраиваемых в песчаных грунтах: специальность 05.23.02 «Основания и фундаменты, подземные сооружения»: дис. … канд. техн. наук / Мишаков Владимир Александрович. — Ленинград, 1984. — 197 с. — EDN NPGYOH.

18. Гуринский, М. А. Работа грунтовых анкеров в глинистых основаниях: диссертация... кандидата технических наук: 05.23.02. — Ленинград, 1986. — 250 с.: ил.

19. Горгуца Р. Ю., Лисовский С. В., Бойченко П. О., Реконструкция причальных стенок с применением инъекционных анкеров и методы их контроля ниже уровня воды», журнал «Гидротехника. XXI век» № 2 (26) 2016.

20. Галимов И. М. Совершенствование грунтовых анкерных конструкций раскрывающегося типа в гидротехническом строительстве: дис. … канда. техн. наук. М.: МГСУ, 2018. 100 с.

21. El-Naggar M. Enhancement of steel sheet-piling quay walls using grouted anchors //Journal of Soil Science and Environmental Management. — 2010. — Т. 1. — №. 4. — С. 69–76.

22. Mollahasani, Application of Submerged Grouted Anchors in Sheet Pile Quay Walls, [Dissertation thesis], (2014) Alma Mater Studiorum Università di Bologna. Dottorato di ricerca in Ingegneria civile e ambientale, Italy.