Файл: Морозов, В. А. Регулярные методы решения некорректно поставленных задач-1.pdf

тературе они также практически не освещены. Действующие нор­ мативные документы содержат по этому вопросу только общие ука­ зания.

Вопросы проектирования дорог с учетом сейсмических условий не рассмотрены в данной книге. Однако поскольку выбор места ис­ кусственных сооружений связан с прокладкой трассы дорог, ниже приводим некоторые соображения, основанные главным образом на опыте землетрясений.

Условия сейсмостойкости следует учитывать на всех стадиях проектирования железных и автомобильных дорог. В процессе эко­ номических изысканий нужно предварительно изучить сейсмичность и сейсмический режим территории пролегания трассы. С этой целью используют сейсмостатистическпе и сейсмотектонические материа­ лы (см. в § 1.2). При выборе общего направления трассы следует по возможности избегать районов высокой сейсмичности с частым повторением землетрясений, участков вблизи активных или потен­ циальных очагов. Следует иметь в виду, что в районах с сейсмич­ ностью 9 баллов и особенно свыше 9 баллов, где землетрясения сопровождаются значительными остаточными деформациями в грунтах, обеспечить неразрушимость таких протяженных сооруже­ ний, как земляное полотно дорог, практически невозможно. Поэто­ му трассирование по таким районам нужно допускать только в исключительных случаях, при отсутствии других вариантов трассы.

Сопоставление вариантов общего направления трассы дороги в процессе экономических изысканий также нужно проводить с уче­ том сейсмических условий, а именно с учетом увеличения строитель­ ной стоимости дороги за счет антисейсмических мероприятий. При необходимости рассмотрения варианта трассы в районах с сейсмич­ ностью 9 баллов и выше с неблагоприятными инженерно-геологи­ ческими условиями, когда не может быть полностью гарантировано сохранение эксплуатационных свойств дороги при сильных земле­ трясениях, желательно при сравнении вариантов хотя бы ориенти­ ровочно оценить дополнительные эксплуатационные 'расходы па восстановительные работы и убытки от перерывов движения. Эти факторы могут играть решающую роль при выборе варианта трассы.

Прокладку трассы железных и автомобильных дорог в процессе технических изысканий следует производить с учетом комплекса инженерно-геологических условий, определяющих локальный сейс­ мический эффект. Выбранная трасса дороги должна обеспечивать размещение крупных раздельных пунктов (станций), ответственных объектов железнодорожной и автотранспортной службы, локомо­ тивного и вагонного хозяйства, энергоснабжения, крупных мостовых переходов и тоннелей в наиболее благоприятных сейсмических ус­ ловиях.

При трассировании дорог нужно избегать участков с рыхлыми, водонасыщенными, просадочными или плывунными грунтами, заи­ ленных и заболоченных мест, торфяных участков, неустойчивых, обвальных или оползневых косогоров. По нескальным косогорам

106

при крутизне откоса более 1 : 1,5 трассирование дорог в районах с сейсмичностью 8 и 9 баллов нормами допускается только на осно­ вании специальных инженерно-геологических изысканий, по резуль­ татам которых оценивается потенциальная опасность развития вто­ ричных остаточных деформаций при землетрясениях. Трассирова­ ние железных дорог по нескальным косогорам крутизной 1 : 1 и более в тех же районах вовсе не допускается [132].

Нужно иметь в виду, что степень повреждения земляного полот­ на, подпорных стен, труб под насыпями при землетрясениях возрас­ тает с увеличением высоты полотна. Поэтому при прочих равных условиях предпочтение нужно отдавать вариантам трассы с мень­ шими высотами насыпей и глубинами выемок.

В горных районах, где свобода выбора трассы дороги ограниче­ на рельефными условиями (долинные или перевальные ходы), пол­ ное соблюдение указанных рекомендаций практически невозможно. Однако во всех возможных случаях стремиться к этому обязатель­ но, особенно в районах высокой сейсмичности.

Перейдем теперь к вопросу выбора местоположения крупных дорожных сооружений. Разрушение больших мостов и тоннелей осо­ бенно опасно с точки зрения выхода из строя путей сообщения пос­ ле землетрясения и продолжительности восстановительного перио­ да. Поэтому соответствующий выбор их местоположения с учетом требований сейсмостойкости заслуживает особого внимания.

По геоморфологической и грунтогеологической ситуации мосто­ вые переходы в сейсмическом отношении обычно характеризуются неблагоприятными условиями. Несмотря на это, всегда есть воз­ можность выбрать относительно лучшее решение на основе сопос­ тавления различных вариантов перехода. При этом следует руко­ водствоваться приведенными ниже рекомендациями.

С геоморфологической точки зрения, при выборе места мостово­ го -перехода предпочтение следует отдавать прямым участкам реч­ ных долин и ущелий, имеющим однородное строение и слабоизре­ занные берега. Неблагоприятны, с точки зрения сейсмических усло­

По геологическим условиям следует избегать участков вблизи тектонических нарушений, отрезков долин с подрезанными бортами, потенциально неустойчивыми (оползневыми или обвальными) скло­ нами.

Наиболее важным фактором при выборе места мостового пере­ хода и створа моста в пределах заданного района перехода являет­ ся грунтогеологическое строение русла и берегов реки (оврага, каньона, лога). Решающим преимуществом в этом отношении яв­ ляется высокое расположение кровли скальных или полускальных пород, позволяющее использовать эти породы в качестве основания фундаментов опор моста. Наиболее неблагоприятны створы на участках русел, сложенных пылеватыми и мелкими водонасыщен­ ными 'песками, супесями, суглинками и глинами текучей консистен-

107

цпн. Неблагоприятным фактором является также сильно наклонное, подрезанное пли неправильное (нарушенное) залегание пластов бе­ реговых зон.

На участках с нескальными берегами следует избегать косых пересечений русла реки (см. § 1.7)..

Указанные рекомендации в основном совпадают с общими ин­ женерно-геологическими требованиями при выборе места мостового перехода. В сейсмических районах их значение существенно возрас­ тает. В районах высокой сейсмичности (8—9 баллов) указанным рекомендациям следует отдавать предпочтение при выборе места мостового перехода.

Нужно отметить, что на практике этот вопрос не всегда решает­ ся с правильных позиций. Иногда для сокращения трассы и наи­ лучшего обслуживания перевозок по дороге мостовой переход в районе высокой сейсмичности размещается в исключительно небла­ гоприятных инженерно-геологических условиях. Так, например, в одном из восточных районов СССР запроектированный большой мост с расчетной сейсмичностью 9 баллов размещается на участке, где русло реки сложено пылеватыми (плывунными) песками боль­ шой мощности. Это практически исключает возможность обеспече­ ния сохранности моста при землетрясении расчетной силы. Между тем на расстоянии 15 км выше по течению реки мостовой переход разместился бы в исключительно благоприятных условиях. Очевид­ но, такое пренебрежение требованиями сейсмостойкости может при­ вести к тяжелым последствиям.

При выборе местоположения трассы тоннелей рекомендуется избегать: горных массивов с тектоническими нарушениями, сильной трещиноватостью и резкими изменениями литологического состава пород, оползневых, обвальных районов и участков с небольшой глу­ биной заложения. Предпочтение следует отдавать вариантам, обес­ печивающим заложение тоннелей в более крепких породах при ме­ нее резком изменении рельефа над тоннелем. При невозможности обхода тектонических нарушений в горных массивах желательно пересекать их поверхности под прямым углом [108].

§ IV.4. ПРИНЦИПЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ СЕЙСМОСТОЙКИХ СООРУЖЕНИЙ

До рассмотрения конкретных рекомендаций по проектированию отдельных видов дорожных сооружений желательно ознакомиться с некоторыми общими принципами, которые в теории сейсмостой­ кости выработаны на основе опыта землетрясений и специальных исследований. Они определяют общую направленность проектных мероприятий.

Сейсмические силы (см. гл. II) зависят от динамических пара­ метров сооружений (периодов, форм колебаний). Эти параметры, в свою очередь, определяются распределением масс и жесткостью отдельных частей сооружения. Очевидно, соответствующим пере­ распределением масс и жесткостей можно в некоторой мере регу­ лировать сейсмические силы и усилия, возникающие в сооружении.

108

В этом смысле одним из наиболее общих принципов проектирования ■сейсмостойких сооружений является принцип эффективного распре­ деления жесткостей и масс [30]. Он предусматривает выбор рацио­ нальной схемы, обеспечение наиболее благоприятного характера сейсмических 'Колебаний и достижение минимальных значений сей­ смических усилий. Конкретные проявления этого принципа разно­ образны. В качестве вытекающих из него' благоприятных решений можно рекомендовать:

а) уменьшение собственного веса 'конструкций и снижение их центров тяжести, что ведет к уменьшению сейсмических усилий и повышению устойчивости сооружения;

б) совпадение центра масс и центра жесткости сооружения иля

•его частей. Напомним, что центром масс называют точку приложе­ ния равнодействующей сил инерции при поступательном движении сооружения. Центр жесткости (упругий центр) — точка приложения равнодействующей реакций (сил отпорности) несущих конструкций сооружения при его поступательном смещении; при совпадении этих двух точек поступательное движение основания при землетрясениях вызывает лишь поступательное смещение сооружения. Тем самым устраняются или ослабляются крутильные колебания и вызванные ими дополнительные сейсмические усилия-

В качестве примера рассмотрим вертикальный консольный из­ гибаемый стержень постоянного сечения, основание которого испы­ тывает горизонтальные поступательные смещения. Пусть сечение стержня имеет ось симметрии и основание смещается параллельно этой оси. Тогда на стержень действует горизонтальная инерционная нагрузка, которая приложена в плоскости его симметрии, содержа­ щей центры тяжести сечений. При изгибных деформациях центром жесткости является центр изгиба сечения. В рассматриваемом слу­ чае центры изгиба сечений стержня также расположены в плоскости симметрии, так что стержень совершает плоские изгибные колеба­ ния. При несимметричном (например, корытообразном) сечении центр изгиба уже не совпадает с центром тяжести сечения и посту­ пательное смещение основания будет вызывать не только изгибные, но и крутильные колебания стержня.

Нужно отметить, что если смещение основания не носит строго поступательный характер, крутильные колебания сооружения мо­ гут возникнуть и при совпадении центров жесткости с центрами масс. Это может происходить за счет вращательных компонентов колебаний грунта или несинхронное™ движения отдельных точек основания под протяженным сооружением. Однако и в этих случа­ ях совпадение центров тяжести сечений с центрами масс играет благоприятную роль. В этом смысле всегда предпочительнее соору­ жения и элементы симметричной формы;

в) однородность структуры сооружения по длине и высоте. За счет этого смягчается вредный эффект наложения разнохарактер­ ных колебаний отдельных частей. При сопряжении конструктивных элементов или частей сооружения с резко различными динамичес­ кими характеристиками наряду с общими колебаниями сооружения

109

ние жесткости приводит к увеличению периодов собственных ко­ лебаний [6, 46]. При принятой в отечественных нормах спектраль­ ной кривой это, в свою очередь, вызывает уменьшение коэффици­ ентов динамичности и сейсмических сил. На этой рекомендации основана, в частности, идея сейсмостойких зданий с «гибким» первым этажом [105]. Дополнительные соображения по данному вопросу в отношении проектирования опор мостов приведены в- § V.6.

Весьма важный принцип проектирования связан с характером процесса разрушения сооружения при землетрясениях. Известно, что по характеру разрушения строительные материалы и конструк­ ции с некоторой условностью можно разделить на две группы. К пластическим относятся материалы и конструкции, разрушению' которых предшествует развитие значительных остаточных дефор­ маций 1 (большинство стальных конструкций, изгибаемые железо­ бетонные элементы с нормальными процентами армирования). К хрупким относятся материалы и конструкции, разрушение которых происходит без предварительного развития сколько-либо сущест­ венных остаточных деформаций (каменная кладка, бетон). Типич­ ные диаграммы деформирования конструкций этих двух групп в- схематизированном виде представлены на рис. IV. 1.

При работе под статическими нагрузками пластические кон­ струкции имеют ряд преимуществ перед хрупкими: повышенная не­ сущая способность за счет пластического перераспределения усилий, остаточное «провисание» перед разрушением, сигнализирующее О' «бедственном положении», и др. В условиях работы под интенсив­ ными динамическими нагрузками пластические конструкции, поми­ мо отмеченных, обладают дополнительными существенными преи­ муществами. Действительно, при статической нагрузке (в условиях1

1 В строгом смысле хрупкое или пластическое поведение материалов зависит от характера напряженно-деформированного состояния.

ПО