Подводные волноломы

В настоящее время при расчете берегозащитных сооружений в виде подводных волноломов воздействие на них волн принимается как статическая нагрузка. Но при действии на эти сооружения разбитых и прибойных волн, вряд ли возможно считать такие воздействия не динамическими. Также следует отметить, что динамические нагрузки могут вызывать в основании такие процессы, которые приводят сооружения к разрушению, например, от разжижения под ними грунта. При этом они не могут быть учтены при статическом нагружении. Здесь рассмотрена одна интересная нелинейная проблема, связанная с разжижением оснований под конструкциями береговых укреплений от динамического воздействия морских волн. Исследуем некоторые вопросы этой сложной задачи, которая встречается в реальных условиях.

Сначала немного истории. Начиная с 1933 года, по инициативе Е. Е. Китрана, в районе Ланжерона (Одесса) на расстоянии 100 м от берега непосредственно на песчаное дно были уложены параллельно береговой линии 110 бутобетонных массивов весом каждый по 17 т, которые остались после переустройства одного из портовых причалов. Длина, таким образом, сооруженного волнолома составляла 250 м, ширина 2,6 м, высота 1,47 м, а начальная глубина залегания массивов принималась на 1,41 м ниже ординара. Интересно отметить, что в процессе строительства в ночь с 13 на 14 декабря 1933 г. происшедшим штормом северная еще не защищенная половина пляжа была подвергнута серьезному разрушению. Наносы были полностью смыты в море, волноприбойная терраса и береговой массив обрыва, который ранее подвергался оползневым процессам, сильно размыт, а каменная облицовка берега разрушена. Между тем, в южной половине бухты,

которая находилась под защитой уже уложенных на дно массивов, отмыв берега не произошел, а наоборот, образовался широкий песчаный пляж. Следует отметить, что после завершения строительства северная половина Ланжероновского пляжа также пополнилась песчаными наносами. Все это подтверждало положительную роль волнолома по защите морского побережья от волновых нагрузок. Затем под динамическим воздействием морских волн массивы этого волнолома начали погружаться в песчаное дно. Вначале этот процесс происходил достаточно быстро, но со временем он замедлился. Так, за первые 5 месяцев погружение составило в среднем по 8 см в месяц, а в последующие месяцы только в среднем по 4 см в месяц. Такое уменьшение их осадок видимо было вызвано уплотнением под ними песка. Максимальный наклон массивов в сторону моря не превышал 10 и в течение нескольких первых лет после постройки их ряд сохранял устойчивое положение в плане. Затем массивы постепенно погрузились в слой песка и были замыты. Одна из основных причин разрушения волнолома заключалась в неудовлетворительной подготовке под ним основания, которая и вызывала разжижение грунта.

Приведем еще один пример разрушения гравитационной стены мола, происшедшей в октябре 1892 г. [16]. На начало аварии массивы стены высотой 6 м были уложены на протяжении свыше 100 пог. м. Грунт в ее основании состоял из очень мелкого песка. Высота волн, начавшегося с утра шторма, достигала 3,5 – 4.0 м. В 12 часов дня стена еще стояла, но через несколько минут она была разрушена. После шторма обнаружили, что стена полностью погрузилась в грунт, ее массивы оказались на глубине более 2 м от поверхности дна. Провели эксперимент, на дно положили массив и стали сообщать ему ряд толчков. Под влиянием колебаний массив начал погружаться в грунт, изображая происшедшую аварию стены. Ее причиной стало разжижение песка в основании стены от динамического воздействия морских волн. В те времена вопрос разжижения грунтов был не изучен, но по предложению строителя Одесского порта П. С. Чеховича при восстановлении мола предлагалось забить два ряда шпунтовых свай по бокам стены, что соответствовало современному рациональному мероприятию по ее укреплению. В дальнейшем это было сделано и, мол благополучно эксплуатируется до настоящего времени. Другие примеры разрушения сооружений, связанные с разжижением грунтов, приведены в работах [17, 18, 19]. Следует также отметить, что это явление наблюдается и способствует значительным разрушениям при землетрясениях [20].

Вопросами разжижения водонасыщенных песчаных грунтов начали серьезно заниматься в бывшем Советском Союзе после аварии грунтовой плотины Свирьстроя в 1935 г. [19]. Вследствие произведенного взрыва перемычки, расположенной на расстоянии 150 м от этой плотины, часть ее грунта пришла в разжиженное состояние, и она была частично разрушена. Это явление, происшедшее в песчаных грунтах от динамических воздействий, было на некоторое время засекречено и замедлило его изучение. Дальнейшие исследования в этом направлении интенсивно велись Н. М. Герсевановым, Н. Н. Масловым, В. А. Флориным, М. Н. Гольдштейном, П. Л. Ивановым, Г. М. Ляховым, А. Casagrandе и другими учеными. В 1935 г. А. Casagrande и И. В. Яропольский предложили теорию разжижения песков в зависимости от их плотности, которая получила название <<Критической пористости>>. В это же время Н. Н. Масловым была начата разработка новой теории, которая была им названа <<Фильтрационная теория динамической устойчивости водонасыщенных песков>>. С 1949 г. в Ленинградском политехническом институте были проведены крупные исследования по разжижению грунтов при динамических воздействиях под руководством В. А. Флорина и П. Л. Иванова. На Украине этими вопросами занимались М. Н. Гольдштейн, А. А. Вовк, В. Г. Кравец, Г. И. Черный и другие ученые. Современное состояние этой проблемы изложено, например, в работах [18, 20, 21].

Сущность разжижения водонасыщенного песка состоит кратко в следующем. При динамическом воздействии песок приходит в движение, стремясь к интенсивному уплотнению, которое сопровождается выдавливанием излишней воды из его пор. В процессе этого гидродинамического эффекта зерна песка теряют свой вес и, как следствие, ослабляется и даже полностью пропадает трение между его частицами. Вся масса песка, лишенная трения, приобретает свойства жидкой среды, которая растекается, вызывает всплытие расположенных в ней сооружений или наоборот способствует погружению лежавших на ней конструкций. Условие нарушения структуры песка по В. А. Флорину в общем случае определяется уравнением состояния, которое зависит от пористости, напряжения и собственного веса песка, а также от действующей на него нагрузки, ускорения колебаний и градиента напора фильтрационного потока. В ряде случаев некоторые из этих многочисленных факторов имеют второстепенное значение и могут быть опущены. К сожалению, многие критерии, определяющие разжижение песчаных грунтов, еще мало изучены.

В настоящее время наиболее разработанными теориями, объясняющими разжижение песков, являются, отмеченные выше, << Критической пористости >> и <<Фильтрационная теория>>. Также разжижение песчаных грунтов может определяться на основе расчетов их консолидации с учетом виброползучести скелета грунтов и способом взрывного зондирования.

Критической называется пористость, при которой конечная пористость образца после сдвига остается равной начальной пористости до сдвига. Автор теории А. Casagrande ввел гипотезу, которая утверждает, что водонасышенные песчаные грунты, имеющие пористость выше критической, могут переходить в разжиженное состояние. Ее серьезные недостатки были отмечены в работах Н. Н. Маслов и В. А. Флорина [18, 19]. В настоящее время экспериментально обосновано утверждение, что критерий критической пористости непригоден для оценки возможности разжижения песчаных грунтов при динамических воздействиях [18].

<<Фильтрационная теория>> была подтверждена большим количеством лабораторных и полевых экспериментов. Согласно этой теории, для определения границы потери водонасыщенными песками своей устойчивости необходимо, во-первых, знать критическое значение интенсивности динамического воздействия, которое характеризуется критическим ускорением а_кр. Понятие этого ускорения отвечает той критической интенсивности колебаний, когда песок, находящийся до этого в стабильном состоянии, начинает снова уплотняться. Для более точного определения критического ускорения песков Одесской береговой зоны, которые для этого почти не изучены, необходимы эксперименты, методики выполнения которых, подробно изложены в работах [18, 19]. Можно также воспользоваться эмпирическими формулами, предложенными различными авторами и приведенными в этих же монографиях. Вторым важным понятием, которое наиболее трудно определяется, является расчетное ускорение частиц а_рас в толще водонасыщенного песка. Эти величины можно находить экспериментально или в наиболее общем случае из расчетов, теория которых в настоящее время с учетом нелинейных свойств грунтовых сред при динамических волновых воздействиях не разработана. Здесь и будет рассмотрен второй подход, позволяющий более точно определять ускорение частиц. В качестве критерия возможности перехода песка в разжиженное состояние принимается следующее неравенство <<Фильтрационной теории>>.

а_рас => а_кр .

Исследуем подводный волнолом, нелинейная расчетная модель которого приведена в монографии [22]. Она представляет собой систему, которая включает сам волнолом, его грунтовое основание и водную среду. Его схема изображена на рисунке 2.147.

Рассматриваемый подводный волнолом, был испытан в натурных условиях в районе Одесской волноисследовательской станции [23]. Его размеры: h_o = 0,25 м, h = 2,9 м, а₁ = 4,4 м, а₂ = 0,6 м. Глубина воды на месте установки волнолома d = 3,5 м, а над гребнем z = 0,6 м. Высота волны h_5% = 3 м, ее средняя длина λ_ср = 29 м, а средний период Т_ср = 5 с. Уклон дна равен i = 0,035. характеристики грунта основания: Е = 30 МПа, μ = 0,3, φ_о=30^о, с = 0,003 МПа. Характеристики бетона волнолома: Е = 30000 МПа, μ = 0,2, σ_р = 1,3 МПа, σ_с = 17 МПа. Действующая нагрузка принимается из эпюры волнового давления при 1% – ой обеспеченности, которая построена по результатам натурных наблюдений на Одесской волноисследовательской станции. Этот пример при статическом воздействии волн был подробно исследован в монографии [22].

Рис. 2. 147. Подводный волнолом

Здесь рассматривается случай, когда гребень волны находится над наклонной гранью волнолома и затем происходит его воздействие на волнолом не в виде статической нагрузки, а удара, что и наблюдается в натурных условиях. Для определения расчетного ускорения частиц песчаного основания используется его динамическая упругопластическая расчетная модель, разработанная в [22]. Разжижение песчаного грунта будет определяться по <<Фильтрационной теории>>.

Критическое ускорение колебаний а_кр обычно находится по результатам виброкомпрессионных испытаний. Точных данных определения а_кр для намытых песков Одесской береговой зоны нет. Поэтому на основании обширных натурных и экспериментальных данных, приведенных в [18, 19] для различных песчаных грунтов, принимается для данного примера наиболее подходящее значение а_кр = 5 см/с². Значение расчетного ускорения а_рас можно определить, используя систему Plaxis. Для этого аналогично предыдущему примеру определяется эпюра ускорений, по которой можно найти ускорение в интересующих точках грунтового массива и постели.

Выполненные на ЭВМ расчеты показали, что полученное расчетное ускорение а_рас в узловых точках конечных элементов оказалось меньше критического ускорения (0 < а_рас <= 3 см/с²), т. е. разжижение песков не должно происходить, что противоречит приведенным выше реальным примерам. Однако необходимо отметить, во-первых, волновая нагрузка принималась как осредненная величина, в натурных условиях она может отклоняться как в большую, так и в меньшую стороны. Во-вторых, как показано в работе [24] и в приложении В к данной книге, при ударе волны могут возникать <игловые> мгновенные нагрузки интенсивностью свыше 5λ, где λ – высота волны. Время их действия составляет 0,002 – 0,005 с, а повторяемость не превышает 5 – 8 %. Были выполнены различные расчеты на такие динамические нагрузки, которые показали, что в некоторых узловых точках конечных элементов основания под волноломом возникают расчетные ускорения, превышающие величину критического ускорения а_кр (0 < а_рас <= 8 см/с²). Следовательно, в песчаном основании под волноломом могут образовываться области, в которых происходит его разжижение. Со временем эти области расширяются, и массивы волноломов постепенно погружаются в песчаное основание. Все это подтверждает наблюдаемое явление осадки берегозащитных сооружений, вызванное разжижением основания, происходящее именно во время сильных штормов.

Какие мероприятия следует выполнять для предотвращения таких негативных явлений? В наиболее общем случае они перечислены в работах [17, 18, 19, 20]. Применительно к рассматриваемому случаю необходимо под массивы волнолома сооружать каменную пастель. Хотя процесс разжижения и уплотнения несвязанных грунтов не зависит от их гранулометрического состава, но с увеличением крупности, а, следовательно, и водопроницаемости, уменьшается время их пребывания в разжиженном состоянии. При разрушении структуры небольших слоев крупнозернистых грунтов это время так мало, что в них практически не наблюдается проявлений разжижения [25]. Для определения оптимальных безопасных размеров, как самих сооружений, так и каменных постелей и засыпок за волноотбойными стенами необходимы обширные и тщательные эксперименты по изучению волнового режима и свойств грунтов в районе строительства береговых гидротехнических сооружений.

В данном разделе рассмотрены простые примеры расчетов различных портовых гидротехнических сооружений. Система PLAXIS позволяет их усложнить как в конструктивном направлении, так и в уточнении моделей грунтовых сред. Оставляем решение таких вопросов как упражнения для любознательных пользователей.