АМЕРИКАНСКОЕ ОБЩЕСТВО ГРАЖДАНСКИХ ИНЖЕНЕРОВ

ОСНОВАНО В 1852 Г.

ТРУДЫ

Доклад № 1176

СТРОИТЕЛЬСТВО ПРИЧАЛА ИЗ ЖЕЛЕЗОБЕТОНА.

Юджин Клэпп, член Американского общества гражданских инженеров

С обсуждением, представленным Уильямом Артуром Пейном и Юджином Клэппом.

Строительство частного яхтенного причала недалеко от Глен-Ков, пролив Лонг-Айленд, позволило выявить несколько моментов, которые могут представлять интерес. Это пример небольшого инженерного сооружения, которое, хотя само по себе и не является чем-то значительным, иллюстрирует применение методов достижения цели, способных найти самое широкое применение.

Задача, поставленная перед автором, заключалась в строительстве яхтенного причала на Ист-Айленде, на открытом южном берегу пролива Лонг-Айленд, в связи с возведением там загородной резиденции. Уклон берега в этом месте очень пологий, и было оговорено, что глубина воды при отливе должна составлять не менее 4 футов. Промеры глубин показали, что для этого требуется причал длиной 300 футов. Кроме того, было указано, что причал должен в некоторой степени соответствовать масштабу создаваемого объекта и что деревянная свайная конструкция не будет приемлемой. Помимо этих эстетических требований, от деревянных свай отказались из-за высокой активности корабельного червя в этой части пролива. В то же время владелец не хотел нести расходы на каменный причал соответствующих размеров. Также требовалось обеспечить возможность разгрузки на причале всех материалов для дома и участка во время строительства, а впоследствии — угля и других припасов, что делало необходимым причал, достаточно широкий для проезда конной повозки и разворота на оголовке причала.

Plate XXX.—Yacht Pier Near Glen Cove, N. Y. Plate XXX.—Yacht Pier Near Glen Cove, N. Y.

Были подготовлены сравнительные проекты и сметы для: (a) причала обычной конструкции, но с использованием пропитанных креозотом свай; (b) бетонного причала на бетонных сваях; и (c) серии бетонных опор с деревянными мостовыми пролетами. Последний вариант выглядел значительно лучше, расчетная стоимость была ниже, чем у причала на бетонных сваях, и лишь немногим выше, чем у причала на сваях с креозотовой пропиткой, причем последние в любом случае носили бы временный характер, так как было установлено, что защита, обеспечиваемая креозотом от корабельного червя, не является постоянной.

В этой части пролива средний диапазон прилива составляет около 8 футов, и было определено, что для защиты нижней части причала от воздействия волн потребуется высота не менее 5 футов над средним уровнем прилива. Место открыто с северо-востока, с большим разгоном волн через пролив, и море временами становится довольно бурным. Эти соображения, наряду с необходимостью глубины 4 фута при отливе и заглублением в берег на 2–3 фута, потребовали, чтобы внешние кессоны имели высоту не менее 20 футов.

Строительство таких опор обычным способом за перемычками в столь открытом месте потребовало бы расходов, значительно превышающих те, которые владелец был готов понести. Незадолго до этого внимание автора было привлечено к успешному использованию железобетонных кессонов на Великих озерах при строительстве волноломов майором У. В. Джадсоном, членом Американского общества гражданских инженеров, по патентам, принадлежащим этому офицеру. Казалось, что это и есть решение проблемы. Эти кессоны изготавливаются на берегу, предпочтительно в непосредственной близости от места работ. После тщательной проверки и выдержки их обычно спускают на воду подобно судну, буксируют к месту назначения, опускают на дно и затем заполняют каменной наброской.

В данном случае требовалась конструкция, которую можно было бы безопасно и недорого изготовить на воздухе, затем дать ей полностью затвердеть и, наконец, установить в точно заданное положение. Вес, который необходимо было поддерживать, был невелик, берег представлял собой хороший гравий и песок, довольно ровный, и при благоприятных погодных условиях установка кессонов обещала быть простой задачей. Поэтому были подготовлены детальные планы этого сооружения.

При проектировании была предпринята попытка сохранить некоторые элементы яхтенной тематики, и для соединения кессонов были использованы фермы с арочным поясом, представляющие собой, по сути, увеличенные сходни.

Причал изначально был спроектирован в форме буквы «L» с основным плечом длиной 300 футов и коротким плечом длиной 36 футов. Оголовок причала состоял из восьми кессонов, расположенных вплотную друг к другу, и предназначался для создания волнолома, в углу которого, под защитой от воздействия волн, должны были швартоваться плавучий причал и лодочная пристань. После получения первых заявок владелец пожелал сократить расходы, и каждый второй кессон в оголовке причала был исключен, так что в построенном виде причал содержит восемь кессонов и пять ферм длиной 53 фута. Кессоны, поддерживающие фермы, имеют ширину 8 футов и длину 12 футов, а кессоны в оголовке причала — 12 на 12 футов. Из-за мелководья и большой высоты внешних кессонов по сравнению с их поперечным сечением было признано целесообразным формовать их в две секции. Армирование боковых стенок состояло из круглых стержней диаметром 1/2 дюйма, расположенных горизонтально, и стержней диаметром 3/8 дюйма, расположенных вертикально, с шагом, показанным на рис. 1, вместе с поперечными диафрагмами, как указано.

Кессоны были армированы с учетом внешних давлений, ожидаемых во время спуска на воду и буксировки к месту установки, а также внутренних давлений, ожидаемых во время отлива, когда давление воды отсутствовало бы, но заполнение кессонов было бы эффективным. Углы были усилены и утолщены. Чтобы обеспечить надлежащую укладку на песчаное основание, по всему периметру кессона ниже дна был предусмотрен выступ шириной 12 дюймов. В днище было отлито 3-дюймовое отверстие, которое закрывалось пробкой во время буксировки нижней секции к месту установки.

Вопросу воздействия морской воды на бетон было уделено много внимания. Автор не смог найти авторитетных мнений по этому вопросу, которые не опровергались бы прямо противоположными мнениями, столь же авторитетными. Он считает, что это вопрос, который Общество могло бы оперативно и тщательно исследовать. Несомненно, существует множество прискорбных случаев разрушения из-за воздействия морской воды и мороза на бетон, и многие способные и опытные инженеры, возглавляющие инженерные департаменты крупных транспортных компаний, просто вычеркнули бетон из списка доступных материалов для морского строительства. Это тема, слишком обширная, чтобы обсуждать ее как второстепенную применительно к такому небольшому сооружению, как описанное здесь, и хотя многие отвергли бетон в этих условиях, другие инженеры, столь же консервативные, используют его свободно и без опасений.

Автор подробно проконсультировался со своим партнером и другими специалистами и, приняв во внимание все преимущества использования этих бетонных кессонов, решил сделать это, предприняв все известные меры предосторожности.

Fig. 1. Fig. 1.

Эти меры предосторожности заключались в следующем:

Во-первых, использование цемента, химический состав которого был ограничен следующим образом:

Было оговорено, что цемент должен содержать не более 1,75% безводной серной кислоты (SO3) и не более 3% магнезии (MgO); также было указано, что после обжига в ингредиенты, составляющие цемент, не должно было быть добавлено более 3% добавок.

Во-вторых, обеспечение путем тщательного контроля максимально однородной смеси, с особым вниманием к плотности внешнего слоя кессонов.

В-третьих, длительный процесс выдержки перед погружением нового бетона в морскую воду.

В дополнение к этим хорошо известным мерам предосторожности было решено попробовать добавить в цемент химический элемент, который должен был образовать со свободной известью в цементе более стабильное и нерастворимое химическое соединение, чем то, которое дает обычный портландцемент. Это было обеспечено запатентованным составом, известным как «Токсемент», который, по утверждению изобретателя, является резинатом кальция и силикатом глинозема, образующим резинат извести и силикат глинозема в кристаллической форме. Далее утверждается, что каждый из этих материалов нерастворим в 3-процентном растворе хлорида натрия и сульфата натрия. Он использовался во всех кессонах, кроме № 1 и № 2, в пропорции 2 фунта Токсемента на каждые 100 фунтов цемента. Первые два кессона не подвергались такой обработке и будут находиться под пристальным наблюдением для сравнения с остальными, обработанными этим составом.

Использовалась смесь из одной части цемента (марки Pennsylvania), двух частей песка и четырех частей гравия. Песок и гравий были получены из близлежащего источника Cow Bay, просеяны и промыты. Размер гравия не превышал 1/2 дюйма, с градацией до очень крупного песка. Песок также был карьерным и очень хорошо отсортированным.

Кессоны после установки были заполнены песком и гравием с прилегающего берега примерно до уровня среднего прилива, а края снаружи по всему периметру были защищены от размыва приливами и волнами с помощью каменной наброски из камней, которые может поднять один человек.

Фермы были сконструированы с радиусом 34 фута, с поясами 8 на 8 дюймов, стойками 6 на 6 дюймов и стержнями диаметром 1 дюйм. Нагрузка рассчитывалась как груженая угольная повозка плюс 100 фунтов на фут. Весь пиломатериал был из чистой желтой сосны, за исключением настила, который был из чистого белого дуба. Трубчатые перила и все болты ниже уровня проезжей части, подверженные частому намоканию соленой водой, были из оцинкованного железа. Фермы были установлены с шагом 9 футов 9 дюймов по центрам, что обеспечивало чистый пролет 8 футов между колесоотбойниками под поручнями. Отбойные сваи были пропитаны креозотом. Плавучий причал имел длину 18 футов и ширину 12 футов.

Контракт был заключен с компанией Snare and Triest Company, и работы начались в начале августа 1909 года. Первый кессон был залит в начале сентября, а последний — примерно в начале октября.

Все кессоны были отлиты в стоячем положении на параллельных полозьях примерно на уровне среднего прилива. Сначала планировалось построить небольшую морскую железную дорогу и спускать кессоны таким образом, перекатывая их по полозьям к началу морской железной дороги. Однако от этого плана отказались, и, подогнав во время прилива мощную баржу с деррик-краном, многие кессоны поднимали целиком с их места, опускали в воду, буксировали к месту установки и опускали на дно, в то время как другие, в основном верхние секции, поднимали на палубу баржи и устанавливали непосредственно оттуда в их конечное положение. Особых трудностей с тем, чтобы они осели до надлежащего уровня, не возникло. Были предусмотрены средства для размыва грунта струей воды, если это потребуется, но они не использовались. При установке кессона № 2 было обнаружено скопление валунов, и для расчистки и выравнивания основания был нанят водолаз. Выравнивание расстояния осуществлялось с помощью плавучего устройства, состоящего из двух брусьев 12 на 12 дюймов, соединенных решеткой, длиной, в точности соответствующей чистому расстоянию между кессонами. После того как первые кессоны были правильно установлены у берега, плавучее устройство выводили наружу, крепили растяжками к берегу и прижимали к внешнему краю установленного кессона. Затем следующий кессон буксировали, устанавливали вплотную к плавучему распорному устройству и опускали на место. Были некоторые небольшие трудности с выверкой кессонов по вертикали, но путем выемки грунта грейфером вблизи приподнятой стороны и перемещения материала к опущенной стороне все они были легко приведены в достаточно вертикальное и ровное положение, незаметное при осмотре вдоль края с берега.

Все фермы были изготовлены на верфи подрядчика в Бриджпорте и отбуксированы через пролив на барже. Их установили и временно закрепили с помощью деррик-бота, а затем на месте были сооружены настил и палуба.

26 декабря 1909 года на пролив с северо-востока обрушился шторм необычайной силы — фактически не имевший себе равных за многие годы; волны перехлестывали через причал и сорвали несколько досок настила, которые были лишь прихвачены гвоздями, но в остальном ущерба не нанесли и кессоны ничуть не сдвинули. Тот же шторм частично разрушил причал капитальной конструкции менее чем в миле от рассматриваемого.

К сожалению, работы были начаты так поздно летом, а ограничения по выдержке бетона соблюдались так строго, что работы по установке кессонов удалось начать только 11 ноября, поэтому все строительство пришлось на очень плохую погоду поздней осени и начала зимы. Поскольку это сопровождалось очень бурным морем, сильным снегом и ветром, работы сильно затянулись и были завершены только к середине января. Стоимость всего причала составила около 14 000 долларов.

Автор полагает, что стоимость была значительно ниже, чем при строительстве каменных причалов любым другим методом, в существующих условиях ветра, приливов и открытого расположения.

Кажется, что для многих шоссейных мостов с короткими пролетами, дамб и подобных сооружений использование подобных кессонов оказалось бы экономичным и долговечным, и что они могли бы в значительной степени заменить ряжевые конструкции, которые через десять лет или около того становятся источником постоянных затрат на содержание, к тому же никогда не выглядя привлекательно. Наконец, для мостов, требующих наиболее жестких фундаментов, эти кессоны могли бы легко использоваться в качестве замены открытых деревянных кессонов, опускаемых на подготовленное основание любого типа, и при этом быть способными к включению в готовую конструкцию.

ОБСУЖДЕНИЕ

Уильям Артур Пейн, член Американского общества гражданских инженеров (в письме). — По прибытии первой баржи с кирпичом, предназначенным для строительства резиденции в усадьбе, к которой относится этот причал, после того как судно было пришвартовано вдоль причала, в течение двух дней дул сильный северо-западный ветер, направленный прямо на оголовок причала и борт судна. Воздействие на причал привело к раздавливанию отбойных свай и вызвало осадку одного из кессонов в оголовке причала с западной стороны. Кессон был слегка выбит из створа, и наблюдалась осадка в западном направлении.

Автор полагает, что это было вызвано ударами кирпичной баржи о песчаное дно, на котором стоят кессоны, во время прилива, когда судно приподнималось со дна на волне и ударялось, когда волна проходила. Чтобы защитить причал и избежать ударов барж о него, примерно в 8 футах от торца были забиты три группы свай, между ними и прогоном причала была построена вспомогательная платформа, устроенная так, чтобы она могла скользить по прогону в случае смещения свай. Эта вспомогательная платформа особенно выгодна при погрузочно-разгрузочных работах, так как высота причала оказалась чрезмерной для подачи кирпича и цемента. Для перемещения материалов после их выгрузки на причал была построена промышленная железная дорога. На береговом конце этой железной дороги кирпич и цемент перегружаются в повозки, в которых их доставляют вверх по холму к дому.

Юджин Клэпп, член Американского общества гражданских инженеров (в письме). — Ущерб, нанесенный причалам, о котором сообщает г-н Пейн, не вызывает удивления. Причал был построен прежде всего как яхтенный причал, и из-за мелководья, за исключением самого высокого прилива, он в основном предназначался для использования тендерами и катерами с больших яхт. Предполагалось, что во время прилива большие паровые яхты смогут швартоваться к нему.

Возможность швартовки к причалу тяжело груженной кирпичной баржи и оставления ее там в бурную погоду не была предусмотрена.

Строительство вспомогательных отбойных свай во время временного использования причала для разгрузки строительных материалов, несомненно, предотвратит дальнейшие повреждения.

back