Целью данной работы является показать использование древесины для строительных работ в пресной и морской воде. Дерево может помочь решению многих проблем, возникающих при сооружении доков, гаваней, причалов, обустройстве берегов, шлюзов и других связанных с водой конструкций. Если знать о тех опасностях, которым может подвергаться дерево у воды, и тщательно отбирать породы, наиболее подходящие для той или иной задачи, прочный и долговечный объект можно соорудить с относительно малыми издержками.
Основные гидротехнические конструкции, использование древесины для которых рассматривается в этой работе – это:
1) берегоукрепляющие сооружения на море, в реках и каналах;
2) причалы, пристани, пирсы, мостки, доки, ворота доков и шлюзов, и связанные с ними сооружения, например, причальные понтоны;
3) гавани для яхт и судов.
Свойства дерева как конструкционного материала
Наиболее важные для строительных целей механические свойства древесины обычно связываются с её текстурой. Этот термин широко используется и покрывает многие характеристики, такие, как размер и направление волокон, выраженность и ширину годовых колец, и ряд других. В случае силовых нагрузок на древесину наибольшей прочностью она обладает в направлении поперёк волокон, и тогда любые отклонения от расположения волокон, параллельных друг другу и перпендикулярных приложенной силе, ослабляют древесину. В случае же нагрузок на истирание или раскалывание спутанность древесных волокон, называемая также свилеватостью, оказывается преимуществом, так как повышает стойкость древесины к таким воздействиям.
Если влажность древесины опускается ниже 25-30%, её прочность начинает возрастать по мере уменьшения влажности. Но при использовании древесины для гидротехнических сооружений длительное понижение влажности ниже указанного уровня маловероятно, поэтому в данной работе мы исходим из показателей прочности для свежесрубленной древесины (влажность которой около 30%), а не древесины после сушки.
В большинстве пород различают ядровую и заболонную древесину. Первая обладает большей биологической, а часто – и механической стойкостью, и её следует предпочитать при проведении ответственных работ.
Дерево обладает, по сравнению с другими строительными материалами, рядом важных преимуществ: оно относительно лёгкое, имеет высокие показатели прочности для своей плотности, и легко обрабатывается. Всё это может быть особенно важно в случае строительства в труднодоступных местах. Кроме того, дерево – очень гибкий конструкционный материал. Внесение изменений в конструкцию из дерева или её ремонт обычно гораздо легче, чем для той же конструкции из других материалов. Это, в свою очередь, повышает общую сравнительную долговечность конструкций из дерева.
Дерево – достаточно вязкий материал и хорошо сопротивляется ударным нагрузкам, частым в прибрежных и причальных зонах, а также в зонах погрузочно-разгрузочных работ.
Иногда плавучесть дерева может требовать специального дополнительного утяжеления полупогружённой конструкции для увеличения её остойчивости.
Использование дерева
Защита берегов рек
Быстрое течение воды, вызванное перепадами высот, сильными осадками, а на приморских участках – также движением приливных волн, вызывает береговую эрозию, которая особенно сильна в случае берегов, сложенных из мягких осадочных пород. На судоходных реках и каналах к воздействию природных факторов добавляется воздействие на берег волн от проходящих судов. Если такую эрозию не контролировать, разрушение берега может приводить к затоплению окрестностей и к заиливанию русла (а в конце концов – к его изменению и к наводнениям).
Формы защиты берега обычно соответствуют интенсивности движения по руслу. В верхнем течении, где могут плавать только лодки, часто используются такие меры, как берегоукрепляющие посадки или лёгкие конструкции, собранные из вязанок хвороста, иногда – плетней. Такие формы защиты являются недолговечны по природе. На больших реках и каналах с интенсивным судодвижением для защиты берега используются более капитальные сооружения. Обычно это частоколы из свай или системы из свай и связывающих их горизонтальных досок (для усиления – также и горизонтальных брусьев).
Так как вся древесина ниже уровня воды подвержена сильному риску загнивания, очень важно использовать для этих целей стойкие породы или предварительно обработанную предохраняющими составами древесину. В устьях впадающих в море рек надо учитывать возможность проникновения с приливом морских сверлильщиков.
Берегозащитные работы в море
Береговая линия морей постоянно изменяется, как за счёт работы прибоя и приливов, так и за счёт изменений уровня моря. Люди издавна стараются воспрепятствовать как размыванию побережий, так и заиливанию гаваней. Для удержания сыпучих материалов пляжей используются буны, волноотбойные, ветровые и подпорные стены. Их форма, длина и высота в значительной мере определяются особенностями их конкретного месторасположения.
Размывание берега происходит двумя основными способами. Во-первых, это перенос сыпучего материала вдоль береговой линии. Для предотвращения этого устанавливаются уходящие в море более-менее перпендикулярно берегу буны, длиной от 30 до 90 метров и на расстоянии от 50 до 150 м. Часто их дополнительно приходится укреплять с подветренной стороны, чтобы предотвратить опрокидывание из-за накопления сыпучего материала с наветренной стороны. В Сассексе и в Восточной Англии проводились опыты с проницаемыми бунами, хотя лабораторные исследования не смогли показать для них эффективность, сравнимую со сплошными бунами.
Во-вторых, это фронтальное размывание. Достаточно часто медленное накопление сыпучих материалов летом сочетается с сильным размыванием во время осенних штормов. В таких случаях эффективны волноотбойные стены или же подпорные стены, протянутые вдоль берега, уменьшающие штормовые размывы. Ветровые экраны (проницаемые) часто сочетают с бунами. Они располагаются вдоль линии берега и уменьшают вынос материала в море во время штормов. Но они снижают привлекательность песчаных пляжей. Подпорные стены – это непроницаемые барьеры, протянутые параллельно берегу и расположенные выше линии прибоя. Обычно они представляют собой двухрядный частокол с поперечным креплением и с забутованным промежутком между рядами кольев.
В Южной Англии, в зоне Ла-Манша, более характерно размывание берегов за счёт переноса материала течениями вдоль берега, в то время как берега Восточной Англии чаще затопляются в ходе фронтального размывания.
Причалы и пристани
Дерево может по-разному использоваться для причалов, но три основные его применения – это свайные опоры, причальные стенки (и привальные брусья) и настилы.
Сваи
Сваи и поперечные связки, выполненные из крупноразмерного массива дерева, широко применяются как в солёной, так и в пресной воде. Выбор очень часто определяется требуемой длиной. Специализированные фирмы могут поставить тёсаный брус длиной до 19 м или пиленный длиной до 18 м, а для круглых брёвен возможны и ещё большие длины. Но в настоящее время применение длинномеров более 9 м для постоянных конструкций ограничено по требованиям строительных нормативов. Если же проблема торцевого сращивания может быть удовлетворительно решена для данной конструкции, то список возможных к использованию пород значительно расширяется. Однако надо иметь в виду, что в условиях постоянно-переменного увлажнения, характерного для гидротехнических сооружений, к клееной древесине предъявляются очень высокие требования, которым удовлетворяет далеко не всякая технология склеивания. Это, в свою очередь, может сделать применение клееной древесины слишком дорогим. Тем не менее, например, некрашеные брусья квадратного сечения 75 мм из лиственных пород средней плотности, склеенные фенолформальдегидно-резорциновым клеем, показали только незначительное расслаивание после 10 лет службы в полупогружённом состоянии в морской воде.
Сваи делятся на опирающиеся на твёрдое основание (и расчёт таких свай ведётся так же, как и колонн) и на удерживающиеся в грунте за счёт трения своей боковой поверхности, при расчёте которых надо это учитывать. Нагрузки на сваи могут быть в общем разделены на три группы:
1) Нагрузка при забивании – деревянные сваи могут размочаливаться на торце или раскалываться. При уменьшении скорости соприкосновения молота со сваей эти риски снижаются – т.е. предпочтительнее медленные, но тяжёлые молоты (при той же нагрузке).
2) Нагрузки при эксплуатации – сюда в основном входят деформации на изгиб за счёт неравномерности нагрузки, несимметричности самой сваи и действия боковых сил (например, волн или навала судов на причал), а также на сжатие и растяжение, возникающие из действия всех этих сил. Тесты показывают, что древесина лучше переносит комбинированные нагрузки на сжатие и изгиб, чем можно было бы предположить из простого суммирования этих нагрузок. Т.е. незначительные несимметричности в конструкционных материалах не слишком ослабляют его сопротивляемость.
Для амортизации ударных воздействий на причальные конструкции при навале судов также часто используют дерево, так как остальные конструкционные материалы (камень, в т.ч. бетон, и металл) имеют низкую способность к упругой деформации.
Настилы
Дерево часто используется для сооружения настилов пристаней, причалов, пирсов и причальных понтонов. Дренирование таких площадок достигается за счёт промежутков между досками. Наиболее обычное сечение досок для таких настилов – 25 мм в толщину и 75-125 мм в ширину. Риску гниения подвержены не только настилы, но все части пристани над уровнем воды. Поэтому при их сооружении надо принимать в расчёт, что на горизонтальных поверхностях может задерживаться вода, и во избежание этого надо всегда предусматривать возможность для её стока. Вода также задерживается между деревянными поверхностями на их стыках, и в таких местах также следует стремиться предотвращать гниение, используя обработанную или природно-стойкую древесину.
Разные породы дерева, использованные в качестве настила, по-разному выдерживают поверхностное истирание в результате движения пешеходов и транспорта. Такие породы, как пихта Дугласа, канадская тсуга, европейская сосна, дабема могут использоваться только в местах с малой пешеходной нагрузкой. Жёлтая сосна, красное меранти, керуинг, билинга, ярра и карри, например, имеют достаточную стойкость к истиранию, чтобы использоваться для настилов в общем случае. В случае высокой проходимости (например, порядка 2000 человек в день по ясно определённым маршрутам), движения тяжёлых колёсных средств и ударных нагрузок (например, при выгрузке) рекомендуются такие породы, как дуб, денья, азобе, данта, тали, гринхарт, белиан и некоторые другие.
Причальные стенки
Дерево часто используется и для боковых причальных стенок. Основные требования к древесине в этом случае – вязкость: упругость, сжимаемость и стойкость к ударам и раскалыванию, и стойкость к истиранию. Так как статических нагрузок эти элементы не несут, они могут быть составными, клееными и т.п. – размер не так важен, как в случае опорных конструкций. Требуемые длины могут достигать 9 м, а сечения – 75х300 мм, 150х200 мм и т.д. до 300х300 мм. Требуемая стойкость к раскалыванию и истиранию часто коррелирует с высокой свилеватостью древесины, т.е. спутанностью древесных волокон. Поэтому из европейских пород для этих целей чаще всего используется вяз, а также дуб, пихта Дугласа, жёлтая сосна, билинга, азобе и денья. Причальный плот (понтон), расположенный у берега, подвергается в целом примерно тем же нагрузкам, что и причальная стенка, и поэтому к его материалу предъявляются сходные требования, плюс, конечно, он должен обеспечивать плавучесть. В лондонском порту причальные плоты трёх основных длин, 18, 14 и 9 метров, и в них успешно используются склеенные по три балки из пихты Дугласа сечением 600х600 мм. Балки могут быть собраны также на болтах или на шипах.
Кроме того, дерево традиционно используется и для ворот в шлюзах и доках. Срок службы таких ворот при надлежащем выборе породы около 30 лет, но многое зависит интенсивности использования и механических повреждений.
Соединения
Традиционно применяется следующие соотношения между толщиной скрепляемых деревянных элементов и диаметрами болтов (в мм):
Толщина | 75 | 150 | 225 | 300 |
Диаметр | 16-22 | 22-32 | 32-44 | 44-63 |
Естественная стойкость некоторых пород древесины к биологическим воздействиям и механическому истиранию:
Название породы | Стойкость к | ||
гнили | точильщикам | истиранию | |
Пихта Дугласа | умеренная | нестойкая | слабая |
Лиственница европейская | умеренная | нестойкая | слабая |
Сосна европейская | нестойкая | нестойкая | слабая |
Балау | стойкая | умеренная | нормальная |
Азобе | очень стойкая | очень стойкая | сильная |
Гринхарт | очень стойкая | очень стойкая | сильная |
Ипе | очень стойкая | нестойкая | нормальная |
Ироко | стойкая | умеренная | нормальная |
Ярра | очень стойкая | очень стойкая | нормальная |
Кемпас | стойкая | нестойкая | нормальная |
Керуинг | умеренная | умеренная | сильная |
Меранти красный | стойкая | стойкая | нормальная |
Дуб | стойкая | нестойкая | сильная |
Денья | очень стойкая | очень стойкая | сильная |
Билинга | очень стойкая | очень стойкая | нормальная |
Тали | стойкая | очень стойкая | нормальная |
Тик (Бирма) | очень стойкая | умеренная | слабая |