УДК 627.40 ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА

УДК 627.40
ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ
ПРИЧАЛЬНЫХ НАБЕРЕЖНЫХ
Ю.И. Бик, М.А. Щербинина
Новосибирская государственная академия водного транспорта, г. Новосибирск, Россия
К настоящему времени накоплен большой опыт по воздействию на сооружения
различных нагрузок. Этому вопросу посвящено много работ как в научно-исследовательском, теоретическом, так и в проектном плане. Однако в этих работах недостаточно
уделено внимания элементам внешней среды, которые могут влиять на несущую
способность причальных набережных, таким как ледовое воздействие, водно-воздушное
и грунтовое окружение, температурный режим конструкций, воздействие мерзлоты,
агрессивное или упрочняющее воздействие перерабатываемых грузов, блуждающих
токов.
Перечисленные факторы
главным образом влияют на прочностные и
деформативные свойства конструкционных материалов. Некоторые из них воздействуют
на физико-механические характеристики грунтов оснований и обратных засыпок, что
влечет за собой изменение несущей способности конструкций. Прочностные и
деформативные характеристики причальных набережных в процессе эксплуатации
меняются вследствие старения конструкционных материалов с течением времени под
воздействием факторов окружающей среды.
Гидрологические условия сибирских рек имеют свои особенности. В отличие от
европейских рек, текущих в основном с севера на юг, течение большинства сибирских
рек направленно с юга на север. Для всех рек характерно наличие весеннего половодья,
летних и дождевых паводков, длительная зимняя устойчивая межень, во время которой
большинство малых рек Восточной Сибири промерзает до дна. Толщина ледового
покрова на некоторых реках достигает двух и более метров. Вскрытие рек происходит
бурно и в значительной степени зависит от скорости таяния снега и льда. Ледоход,
обусловленный вскрытием в верховьях и перемещающийся с юга на север, задерживается
в низовьях достаточно прочным льдом, в результате чего в местах крутых поворотов,
сужений русла, наличия осерёдков и островов возникают заторы. На реках с небольшой
поймой при заторах происходит интенсивное поднятие уровня воды иногда более 15 м.
Рассматривая механические воздействия от льда, необходимо учитывать
статическое расширение льда при его термическом расширении; навал льда на
сооружение под влиянием ветра, течения; вертикальные и изгибающие усилия от
зависающего на сооружении льда при понижении уровня воды, выдергивающие усилия
от всплывающего льда при повышении уровня; динамическое давление (удар) свободно
плавающих льдин; статическое давление от нагромождения льда; квазидинамическое
давление от наползающего на сооружение льда при его подвижках; истирающее
воздействие льда при его горизонтальном и вертикальном перемещении у сооружения.
При
эксплуатации
причальных
набережных
необходимо
проведение
систематических наблюдений за степенью воздействия окружающей среды и ее влиянием
как на отдельные элементы причальных набережных, так и на конструкцию в целом.
Наибольшую опасность для причальных набережных представляет физико-химическая
агрессия среды и перерабатываемых грузов. Коррозионная стойкость бетона против
физико-химического или химического взаимодействия с агрессивной средой
нормирована Строительными нормами и правилами. По отношению к бетону и
железобетону особенно агрессивны водные растворы кислот, но разрушение бетона и
железобетона может наблюдаться и под воздействием растворов солей и щелочей.
Агрессивность окружающей среды зависит не только от химических свойств среды, но и
от физических процессов, характеризующих внешнюю среду.
Сооружения портов могут находиться под воздействием различных сред –
газообразной, жидкой и твердой. Газообразная среда в условиях порта – это атмосферный
воздух, загрязненный примесями различных газов, главным образом двуокиси углерода
СО2, сернистого газа SO2, хлористого водорода и хлора. Газы и твердые химические
вещества агрессивно воздействуют на бетон только в присутствии влаги, образующиеся
растворы различной концентрации проникают в поры бетона и вызывают его коррозию.
Оценивая агрессивность воды-среды, необходимо учитывать следующие показатели:
кислотность, выражаемую рН; жесткость (бикарбонатную щелочность); содержание
агрессивной углекислоты, сульфатов, магния; общее содержание солей.
При определении стойкости бетона по отношению к различным кислотам
необходимо опираться не только на показатель рН, но и на химический состав среды.
Нужно учитывать, что некоторые кислоты не только не разрушают бетон, а даже
способствуют увеличению его прочностных свойств. Кремнефтористоводородная
кислота при взаимодействии с известью образует стойкие нерастворимые соединения –
фтористый
калий
и
кремнезем.
За
счет
обработки
поверхности
кремнефтористоводородной кислотой или ее солями (флюатирование) можно повысить
стойкость бетона против коррозии. Также положительным фактором для бетонных
конструкций является жесткость (бикарбонатная щелочность) воды, так как соли кальция
и магния образуют труднорастворимые карбонаты. Отсутствие в воде вышеуказанных
элементов делает воду агрессивной по отношению к бетону, так как она способна
растворять компоненты цементного камня.
Однако влияние отдельных факторов окружающей среды на бетонные и
железобетонные конструкции различно. Например, влажность и содержание углекислоты
в воздухе благоприятно влияют на увеличение прочности бетона и в тоже время
вызывают карбонизацию защитного слоя бетона, что приводит к снижению защитных
свойств бетона и коррозии арматуры. Процессы коррозии бетона делятся на три группы:
растворение и вынос водой компонентов бетона; вынос из цементного камня
растворимых соединений водой; образование и кристаллизация в теле бетона новых
соединений в результате воздействия агрессивной среды. Образование и кристаллизация
в теле бетона новых соединений характерно для случаев воздействия на бетон
сернокислых солей – сульфатов.
Степень агрессивности воды определяют: кислотность (определяется водородным
показателем рН); карбонатная жесткость; содержание солей, двуокиси углерода, магния,
сульфатов. Кислотная агрессивность воды значительно снижает несущую способность
причальных набережных. Определение стойкости бетона к действию различных кислот
устанавливается по показателю рН и химическому составу среды. Воздействие различных
видов кислот не всегда отрицательно сказывается на прочностных свойствах бетона.
Например, кремнефтористоводородная кислота при взаимодействии с известью образует
стойкие водонерастворимые соединения – фтористый кальций и кремнекислый кальций.
Содержание в воде бикарбонатов кальция и магния (карбонатная жесткость воды) также
является положительным фактором для стойкости бетона. Соли кальция и магния
образуют труднорастворимые карбонаты. Отсутствие в воде двууглекислых солей
кальция и магния делает воду способной растворять компоненты цементного камня.
В обычных условиях рН водного раствора, заполняющего поры цементного камня,
составляет 12,2…13,0. При данном уровне рН арматурная сталь коррозии не
подвергается, однако если бетон теряет защитные свойства и рН снижается
приблизительно до 9, создаются условия для коррозии арматуры.
Влияние, оказываемое водами акватории на несущую способность причальной
набережной, непосредственно зависит от проницаемости бетона. Проницаемость бетона
напрямую зависит от марки бетона по водонепроницаемости, коэффициента фильтрации
и косвенно от водопоглощения бетона. Коэффициент фильтрации и марка бетона по
водонепроницаемости и водопоглощение бетона определяются по Государственным
стандартам.
Разупрочнение бетона в конструкциях причальных набережных во многих случаях
происходит в результате выщелачивания (растворение водой составляющих бетон
компонентов). Известь и гипс имеют наибольшую растворимость из компонентов
затвердевшего цементного камня. Гидросиликаты и гидроалюминаты кальция
определяют прочность цементного камня, под действием воды они отделяют часть
извести и присоединяют воду. Однако они могут устойчиво существовать, если известь в
окружающей среде содержится в меньшей концентрации, чем в насыщенном растворе.
Выщелачивание представляет особую опасность, когда через тело бетона идет напорная
фильтрация.
Влияние сточных вод на несущую способность причальных набережных
определяется совокупностью химического и физического воздействия. Рассматривая
физическое воздействие, необходимо определить, насколько агрессивно воздействуют
сточные воды на целостность, прежде всего, грунта обратной засыпки.
В результате изменения уровня воды в акватории в период эксплуатации на
набережную действует напор, достигающий более 3 м, который обуславливается
отставанием хода уровня грунтовых вод от уровня воды в акватории. Для больверков из
железобетонного шпунта на слабо дренирующем основании характерны высокие
значения напоров. Также высокие значения напоров могут быть вызваны резким
понижением уровня воды в акватории.
Уменьшению несущей способности причальных набережных способствует размыв
дна перед причальной набережной. При значительных понижениях уровней воды в
маловодные периоды размыв дна часто вызывается работой судовых винтов. Для
большинства типов конструкций причальных набережных размыв дна наносит
непоправимый вред, приводящий к возникновению аварийных ситуаций и значительному
уменьшению несущей способности. Засыпка переуглубленных зон не позволяет вернуть
конструкции проектные эксплуатационные качества, а только предотвращает дальнейшее
снижение несущей способности.
Изменение температурного режима при эксплуатации бетонных и железобетонных
конструкций приводит к тому, что в одних случаях к образованию трещин ведет
напряженное состояние при незначительных отрицательных температурах, то есть при
первом замораживании, в других – конструкция, рассчитанная на однократное
замораживание до очень низких температур, покрывается сетью трещин при циклическом
замораживании и оттаивании. Воздействие низких температур, в первую очередь, влияет
на долговечность сооружений и учитывается при назначении строительных материалов,
толщины стен, толщины защитного слоя бетона до арматуры и гидротеплоизоляционных
покрытий, производстве строительных работ в зимний период.
Гидрометеорологические условия оказывают сильное влияние на надежность
гидросооружений и их срок службы в целом, по этому признаку бассейны рек можно
разделить на три района: тяжелые (суровые и особо суровые) условия, средние
(умеренные) условия и легкие (мягкие). Сибирский регион и районы Крайнего Севера
следует относить к району с тяжелыми условиями, и лишь южные районы – к району с
умеренными условиями.
Как показывает практика, в период весеннего паводка обратная засыпка набережных
практически всегда проморожена, в связи с чем ледовые нагрузки, действующие на
набережную, в значительной степени воспринимаются мерзлым грунтом. Грунтовокриологические условия в различных районах Сибири значительно отличаются друг от друга,
это обуславливается не только климатическими, но и инженерно-геологическими
условиями. В русловой части рек и в водоемах при глубине воды зимой более 1…2 м
обычно наблюдается значительное понижение верхней границы вечной мерзлоты или
мерзлота вообще отсутствует. Прочность и деформируемость грунтов зависят от их
температуры, льдистости и наличия незамерзшей воды.
Несущая способность сооружений, построенных в условиях вечной мерзлоты, в
большинстве своем через несколько десятилетий не соответствует проектной. Одной из
причин является изменение границ вечной мерзлоты вследствие воздействия тепла,
исходящего от вод акватории. Основная особенность вечномерзлых грунтов обусловлена
наличием в них льда, от состояния и распределения которого в значительной степени
зависят свойства грунта. Чем больше в грунте ледяных включений, тем ниже его
прочность. Прочность мерзлых грунтов существенно зависит от длительности
приложения нагрузки. При кратковременном приложении нагрузки прочность мерзлых
грунтов довольно велика, а при длительном воздействии нагрузки наблюдается
значительное ее снижение. Нередко при строительстве набережных обнаруживается, что
на протяжении набережной физико-механические свойства грунтов различны. В
основании сооружения мерзлые грунты могут чередоваться с талыми или находиться в
различных состояниях.
Влияние грузов, складируемых на причалах, динамические и вибрационные
воздействия передаются конструкциям через грунтовую среду, а складирование грузов на
причалах, построенных в условиях вечной мерзлоты, в зимний период может привести к
нарушению условий теплообмена. Поэтому очень важно следить за рациональным
размещением грузов и очисткой причалов от снега, рассчитанных на работу конструкции
с промороженной обратной засыпкой, примером может служить порт в Лобытнанги.
Несущая способность причальных набережных также зависит от характеристик
грунтов основания и обратной засыпки. Прочность глинистого грунта зависит от
продолжительности действия
нагрузки, а в грунтах, обладающих ползучестью,
уменьшается со временем до длительной прочности. По этой причине активное давление
грунта может существенно возрасти, а пассивное – снизиться. Боковое давление
глинистого грунта может возрасти в несколько раз и даже приблизиться к величине
пассивного давления водонасыщенной глины, если создаются условия для его набухания,
например, при контактной фильтрации. Аналогичный эффект возникает при морозном
пучении водонасыщенного грунта.
К слабым грунтам следует относить глинистые грунты с влажностью более 0,8,
которые в интервале давлений 0,05…0,3 МПа имеют модуль деформации меньше 5 МПа.
Малая несущая способность грунтов, большие объемы осадок, значительные сроки
стабилизации делают возведение на данных грунтах причальных сооружений процессом
сложным и трудоемким. В естественном залегании слабые грунты обладают
незначительной плотностью – при нагрузке 0,1…0,15 МПа сжимаемость их составляет
10…15 % мощности сжимаемого слоя. Уплотнение слабых грунтов происходит в течение
длительного промежутка времени, иногда десятилетиями, в связи с малой
фильтрационной способностью (коэффициент фильтрации 10-6…10-9 см/с).
Необходимо учитывать реологические свойства грунтов, которые меняются после
постройки сооружения. Для сыпучих грунтов переход из мерзлого состояния в талое не
является причиной, приводящей к потере несущей способности, что объясняется хорошей
дренирующей способностью сыпучих грунтов. А для сильнольдистых дисперсных
грунтов (Лв0,4) такой переход может привести к значительной потере несущей
способности. Для всех грунтов при оттаивании характерны деформации, приводящие к
осадке основания. Осадка сыпучих грунтов происходит одновременно с оттаиванием,
дисперсные грунты оседают длительное время. Одна из главных причин аварий
гидротехнических сооружений, возведенных в условиях вечной мерзлоты, - это резкое
оттаивание грунтов, которое приводит к неравномерным осадкам.
Переработка на причалах химических грузов приводит к сульфатной коррозии
(воздействие сернокислых солей). К числу сернокислых солей, встречающихся в природе,
относятся сернокислый натрий, сернокислый кальций (гипс), сернокислый магний.
Механизм разрушения бетона следующий – ионы сульфата, проникая вглубь цементного
камня, реагируют с гидроалюминатом кальция; при этом увеличивается объем твердой
фазы, что приводит к возникновению в бетоне внутренних напряжений, стремящихся
расширить его, вследствие чего образуются трещины. Разрушение бетона под действием
сульфатов тем интенсивнее, чем он более порист и проницаем.
Жидкие химические грузы должны храниться в специальных емкостях и
транспортироваться только по трубопроводу. Их попадание на причал может
происходить только в случаях катастрофической утечки. Твердые химические грузы,
такие как хлористый натрий, хлористый калий, хлористый аммоний, сульфат аммония,
суперфосфат, карбамид (мочевина), аммиачная селитра относятся к твердым агрессивным
средам. Все эти вещества при взаимодействии с бетоном и арматурой вызывают
коррозию. Сульфат аммония, взаимодействуя с гидратом окиси кальция, содержащимся в
цементе, образует сульфат кальция (гипс). Гипс кристаллизируется в виде двугидрата или
может реагировать с гидроалюминатом кальция, что и в том, и другом случае приводит к
увеличению в объеме твердой фазы в капиллярах бетона и разрушает.
В период эксплуатации причалов по переработке химических грузов необходимо
обеспечивать систематическую очистку причалов от просыпавшихся грузов в процессе
перегрузки и транспортирования, отвод агрессивных водных растворов в специальные
отстойники и нейтрализаторы. Сброс ливневых вод с причалов в реку не допускается.
Необходимо систематически контролировать состояние изоляционных покрытий и
своевременно производить их ремонт.
Часто на причалах складируют поваренную соль навалом. При выпадении
атмосферных осадков образуется раствор соли, который стекает на поверхность причала,
затем соль убирают, причал смывают водой, поверхность причала высыхает, затем снова
на причал загружают соль. Таким образом, железобетон причала попеременно то
насыщается раствором поваренной соли, то высушивается. Вследствие чего повышается
концентрация раствора в теле бетона, происходит кристаллизация соли в порах, и бетон
разрушается. Повышение концентрации хлоридов в бетоне вызывает ускоренную
коррозию бетона, и сооружение может выйти из строя за несколько лет. При
неповрежденном защитном слое бетона интенсивная коррозия арматуры возможна в том
случае, если в бетон попадают ионы хлора, вызывающие электрохимический процесс
разложения стали в щелочной среде. Данный процесс вероятен при переработке на
причале химических грузов, содержащих хлористые соли. Интенсивность коррозии на
причалах по переработке соли в два раза выше.
Влажность воздуха также существенным образом влияет на интенсивность коррозии
арматуры железобетона. Проведенными автором натурными исследованиями
установлено, что при низкой влажности, менее 60%, затрудняется образование сплошной
пленки воды на арматуре, и, несмотря на свободный доступ кислорода через заполненные
водой поры, электрохимическая реакция не развивается, а при 80% влажности
интенсивность коррозии значительно возрастает. Также следует отметить, что в
городской местности скорость коррозионных процессов значительно выше, чем в
сельской.
Срок службы металлических частей сооружений в основном зависит от надежной
защиты их против коррозии. Арматура железобетонных причальных набережных может
также подвергаться коррозии в результате действия блуждающих токов и токов утечки за
счет процесса электролиза, в котором одним из электродов является арматура
конструкции, а другим – земля, окружающие арматуру бетон и грунт служат
электрической средой. Если арматура становится анодом, происходит растворение
металла и окисление его в приэлектродном пространстве. Срок службы металлических
частей сооружений в основном зависит от надежной защиты их против коррозии.
Чем больше длина сооружения, тем опаснее электрокоррозия для арматуры. При
небольшой длине сооружения падение потенциалов по его длине невелико, и опасность
коррозии стали от блуждающих токов практически отсутствует, но существует опасность
от токов утечки, которые попадают на арматуру с различных токонесущих устройств и
коммуникаций. Электрическое сопротивление бетона значительно зависит от его
влажности. Удельное сопротивление сухого бетона достигает 1х106 Ом/см, а
увлажненного снижается до нескольких Ом/см.
Причальные набережные испытывают воздействие окружающей среды,
перерабатываемых грузов, перегрузочных механизмов, транспорта. Сокращение
гидротехников в последние годы привело к тому, что зачастую в портах нет
специалистов, следящих за работой причальной набережной, что приводит к нарушению
правил технической эксплуатации, не производится необходимый контроль над
состоянием причальных набережных, что порой приводит к возникновению аварийных
ситуаций.
Для сохранения несущей способности причальных набережных и их безаварийной
технической эксплуатации необходимо использовать новые методики расчета,
позволяющие определять оптимальные межремонтные сроки и периодичность
обследования причальных набережных в зависимости от вида перерабатываемых грузов и
воздействия таких факторов окружающей среды, как мерзлота, ледовое воздействие,
напор грунтовых вод, температурный режим, окружающая воздушная среда, воздействие
вод акватории, сточных вод, грунтовых вод, блуждающих токов и токов утечки. Так,
более точное определение сроков производства ремонтных работ позволит избежать
недоиспользования эксплуатационных качеств причальных набережных и их разрушения
из-за того, что своевременно не проводятся ремонтные работы.