Какво е кесон?
Кесонът (от фр. caisson – кутия) е голяма кухина конструкция, вкарвана в почвата чрез изкопаване отдолу. При достигане на проектната дълбочина кухинaтa се запълва с бетон или чакъл, превръщайки се в масивен фундаментен блок. Кесоните се използват при фундиране на мостови опори, пристанищни конструкции и тежки промишлени съоръжения при условия, при които пилотите са неподходящи – при много голяма носимост, при работа в дълбока вода или при скала на малка дълбочина.
Историята на кесоните е богата. Ранните форми датират от ХVI–XVII в., но модерното кесонно строителство се развива активно в XIX в. при изграждането на мостовете по Темза и при строителството на Бруклинския мост в Ню Йорк (1869–1883). Работниците в пневматичните кесони на Бруклинския мост страдаха от „кесонна болест" – мистериозно и нерядко фатално заболяване, по-късно идентифицирано като декомпресионна болест от азотни мехури при бавно излизане от зоната на сгъстен въздух.
Видове кесони
Отворен кесон (Open Caisson)
Най-разпространеният тип. Отворен кесон е куха бетонна или стоманобетонна конструкция с отворено дъно. Потапя се в почвата чрез изкопаване на материала от вътрешността с грайфер или с дивер (при работа под вода). Собственото тегло на кесона (+ допълнителен баласт ако е нужно) осигурява „потъването". При достигане на проектната дълбочина, кухините се запълват с бетон.
Предимствата са: относителна простота, проверка на почвата при дъното преди бетониране, висока носимост. Ограниченията: при много пропусклива почва (вода навлиза по-бързо от изпомпването), при скала на голяма дълбочина (трудно изкопаване).
Пневматичен кесон
Пневматичният кесон е затворен отдолу, а работната камера е под сгъстен въздух – налягането на въздуха балансира хидростатичното налягане на водата, предотвратявайки навлизането й. Работниците влизат в работната камера чрез специализиран шлюзов коридор (air lock), работят за определено времена при сгъстен въздух, след което излизат бавно (декомпресия).
Безопасността е критична при пневматичните кесони. Декомпресионната болест (caisson disease, „the bends") настъпва при бързо намаляване на налягането при излизане – азотните мехури, разтворени в кръвта при повишено налягане, се освобождават и могат да блокират кръвоносните съдове. Модерните пневматични кесони имат строги протоколи за декомпресия. Максималното налягане е ограничено до около 3,5 бара (≈ 35 м водна колона).
Кутиев кесон (Box Caisson)
Кутиевият кесон е конструкция с затворено дъно – не изисква изкопаване отдолу. Той е изграден на суша или в плаващ дек, изтеглен до местоположението и потопен чрез добавяне на баласт. Стандарт при пристанищни конструкции, при опори на мостове над вода и при офшорни съоръжения. Изключително ефективен при правилни геоложки условия (твърдо, ниво дъно).
Suction Caisson (Суакционен кесон)
При суакционния кесон (описан и в статията за офшорни фундаменти) затвореният цилиндър се засмуква в почвата чрез изпомпване на водата от вътрешността – разликата в налягането го вкарва в дъното. Бърз, тих монтаж – без чукане и без шум. Широко приложение при офшорни нефтени и вятърни инсталации.
Проектиране на кесонни фундаменти
Проектирането включва анализ на: носимостта на основата при достигнатата дълбочина, стабилността при потапянето (запасът от стабилност при плаващо положение), якостта на кесонната конструкция срещу хидростатично налягане и земен натиск, и деформациите при запълване с бетон. При мостове – отчитане на размиването (scour) около кесонните опори при висока вода.
Потапяне на кесон – предизвикателства
Потапянето на кесон е сложна операция с редица потенциални проблеми: наклон на кесона (потъва неравномерно при различна почва от двете страни), заклинване (задържане при камъни, твърда почва), излишно потапяне (при много мека почва – кесонът потъва по-дълбоко от проектното). Всички тези проблеми изискват незабавна реакция – балансиране, допълнителен изкоп от едната страна, или допълнителна тежест от другата.
Кесони в съвременното строителство
Днес пневматичните кесони са практически изоставени поради здравните рискове – заменени от буренени пилоти и шлицови стени. Отворените кесони намират приложение при мостови опори в реки. Кутиевите кесони са стандарт в пристанищното строителство. Суакционните кесони революционизираха офшорното фундиране.
В България кесонното строителство е по-рядко. Историческите мостове на Дунав – Виден-Калафат и Русе-Гюргево – използват кесонни опори. Съвременните мостове предпочитат буренени пилоти поради по-добрия контрол на качеството.