Особенности расчета и проектирования больверка при условии неразжижения грунта при сейсмической нагрузке

DOI: 10.37153/2618-9283-2025-5-25-43

Авторы:  
Рубрики:    Основания и фундаменты, подземные сооружения   
Ключевые слова: портовые комплексы, строительство, реконструкция, сейсмоопасные районы, больверк, обратная засыпка, сейсмическая нагрузка, разжижение грунта, недопущение, сейсмостойкое строительство, нормы проектирования
Аннотация:

Введение. В настоящее время ведется строительство новых и реконструкция существующих портовых комплексов в сейсмоопасных районах строительства России, таких как   Петропавловск-Камчатский, Приморский край, Сахалинская область, включая Курильские острова, Республика Крым, Астраханская область, Республика Дагестан, Донецкая область и другие. Расчет и проектирование больверков по российским нормативным документам при статической нагрузке ведется при угле внутреннего трения песчаного грунта 28^о–30^о, а при расчете на сейсмическую нагрузку не регламентируется. Это соответствует рыхлому сложению грунта, что недопустимо при строительстве сооружений в сейсмоопасных районах строительства. В сейсмоопасных районах строительства расчет шпунтовых стенок типа больверк без учета возможности разжижения грунтов обратной засыпки может привести к значительному повышению горизонтальной нагрузки на шпунтовую стенку, приводящую к обрыву анкерных тяг и разрушению конструкции больверка при сейсмической нагрузке.   

Цель. В статье рассматриваются принципиальные аспекты расчета больверка при недопущении разжижения грунта обратной засыпки. На конкретном примере приводятся основные   размеры конструкции больверка и результаты расчета. Дается общая оценка результатов расчета при устройстве больверка в сейсмоопасных районах строительства.

Материалы и методы. Для выявления условий опасного разжижения водонасыщенных грунтов основания при динамическом воздействии используется соотношение, предложенное проф. Seed H.B. (USA), именуемое им как коэффициентциклического нагружения, связывающий сдвигающие динамические нагружения t_дин. от внешней нагрузки и статические напряжения s_ст в скелете грунта основания. С учетом нагрузок, действующих на подпорную стенку, выражение при проверке устойчивости песчаной обратной засыпки процессу разжижения структуры грунта преобразуется в зависимость ординаты e_а^с активного бокового давления грунта и воды на единицу объема грунта на заданной глубине грунта и вертикальными напряжениями s (_гр) в скелете грунта обратной засыпки (с учетом величины полезной нагрузки q на поверхности грунта). Расчет больверка включает расчет сейсмических нагрузок при заданной балльности землетрясения, определение изгибающего момента в шпунтовой стенке, усилия растяжения в анкерной тяге и глубины забивки шпунта. По максимальному расчетному изгибающему моменту подбирается сортамент шпунта, а по усилию растяжения в анкерной тяге – ее диаметр.

Результаты. Проверка устойчивости грунтов обратной засыпки на уровне дна водоема процессу разжижения грунта показала, что коэффициент циклического нагружения равнялся 0.753, что значительно превышало допустимое значение. Для выполнения условия неразжижения грунта обратной засыпки песчаный грунт должен быть уплотнен в подводной зоне укладки до угла j внутреннего трения от 26 до 34^о. При этом значение коэффициента циклического нагружения снижалось до 0.61. В расчетах угол j внутреннего трения грунта обратной засыпки в надводной зоне принимаем равным 36^о (вместо 28^о до уплотнения). Проведенными расчетами установлено, что свободная высота больверка (от отметки кордона до дна водоема), не должна превышать 12 м при сейсмичности в 9 баллов, что ограничивается существующим сортаментом марки шпунта по расчетному значению момента сопротивления. При моделировании конструкции больверка ориентировочная глубина забивки шпунта t_ш должна приниматься в пределах (0.8 – 0.9) Н.

Выводы. При расчете больверка на сейсмическую нагрузку должна обязательно проводиться проверка устойчивости песчаного грунта обратной засыпки процессу разжижения грунта, что может привести к разрушению конструкции больверка. Проведенными расчетами установлено, что свободная высота больверка не должна превышать 12 м при сейсмичности   9 баллов. С учетом того, что хорошо известно, что при расчете больверка на статическую нагрузку свободная высота больверка не превышает 15 м, можно предположить, что свободная высота больверка не должна превышать 13 и 14 м при сейсмичности 8 и 7 баллов соответственно. Для предотвращения процесса разжижения обратной засыпки больверка должны применяться динамические методы консолидации грунтов. В новой редакции СНиП по сейсмостойкому строительству рекомендуется предусмотреть раздел по расчету сейсмических нагрузок при расчете подпорных стенок, в том числе больверков, включающий проверку возможности разжижения песчаных грунтов обратной засыпки.    

Список литературы:

1. Погодин В.А., Коровкин В.С., Шхинек К.Н., Лисовский И.В. Гидротехнические сооружения морских портов. Под ред. А.И. Альхименко. СПб.: Издательство Лань, 2014. 432 с.

2. Иванов П.Л. Грунты и основания гидротехнических сооружений. Механика грунтов. М.: Высшая школа, 1991. 441с.

3. Будин А.Я. Городские и портовые набережные. СПб.: Политехника, 2014, 424 с.

4. Кульмач П.П. Морские гидротехнические сооружения Часть II: Причальные, шельфовые и берегоукрепительные сооружения / П.П. Кульмач, В.З. Филиппёнок, Н.Г. Заритовский. Л.: ЛВВИСУ,1991. 391 с.

5. СП 58.1330.2019. Гидротехнические сооружения. Основные положения. Актуализированная редакция СНиП 33-01-2003. М., Минрегион России, 2020.

6. СП 381.1325800.2018. Сооружения подпорные. Правила проектирования Разработан АО «НИЦ Строительство». М.: Стандартинформ, 2018.

7. СП 101.13330.2012. Подпорные стены, судоходные шлюзы, рыбопропускные и рыбозащитные сооружения. Актуализированная редакция СНиП 2.06.07-87. М.: Минрегион России, 2013.

8. РД 31.34.34 - 85. Инструкция по проектированию причальных сооружений распорного типа на слабых грунтах / Разработана Государственным проектно-изыскательским и научно- исследовательским институтом морского транспорта «СоюзморНИИпроект» – Ленинградским филиалом «ЛЕНМОРНИИПРОЕКТ». М.: В/О Мортехинформреклама, 1986. 105 с.

9. Минаев О.П. Важные аспекты расчета устойчивости подпорной стенки при недопущении разжижения грунтов от сейсмической нагрузки // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2023. № 5. С. 91–105.

10.  Idriss I.M., Boulanger R.W. Soil liquefaction during earthquakes. USA, California: EERI, 2008,240

11. Ishihara K. Soil Behaviour in Earthquake Geotechnics. Monograph. USA, Oxford, Clarendon Press: Department of Civil Engineering Science University of Tokyo, 2006, 384 c.

12. Kokusho T. Earthquake-induced flow liquefaction in fines-containing sands under initial shear stress by lab tests and its implication in case histories. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 2020, 130, pp. 121–134.

13. Towhata I. et al. On ageing of liquefaction resistance of sand. Proceeding of the 15th Asian Regional Conference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, ARC 15: New Innovations and Sustainability, Fukuoka International Congress Center Fukuoka, Kyushu; Japan, 2015, pp. 800–805.

14. Ставницер Л.Р. Cейсмостойкость оснований и фундаментов/Монография. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 2010. 448 с.

15. Минаев О.П. Динамическая консолидация структурно-неустойчивых к разжижению грунтов гидротехнических оснований и сооружений: методами ударного, вибрационного и взрывного воздействия. М.: Ассоциация строительных вузов, 2023. 180 с.