Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Моделирование гидротехнических сооружений, негрунтовые элементы которых взаимодействуют с грунтом 19
1.1. Особенности моделирования работы конструкций, взаимодействующих с грунтом 19
1.2. Особенности моделирования податливых оснований 26
Глава 2. Объекты и задачи исследований. 28
2.1. Об оценке характера динамической работы жёстких конструкций сооружений, взаимодействующих с грунтами засыпок 29
2.2. Подпорные стенки 34
2.3. Галереи под насыпями 40
2.4. Грунтовая плотина, армированная крупноячеистыми конструкциями 46
2.5. Плотина из армированного грунта с вертикальной низовой гранью 50
2.6. Свайные конструкции и особенности их моделирования 55
Глава 3. «Эквивалентные» материалы и оперативные методы определения их характеристик 67
3.1. Материалы для моделирования бетонных конструкций и грунтовых массивов 67
3.2. Оперативный метод определения свойств хрупких материалов 76
3.2.1. Методические особенности применения резонансного метода для «слабых» модельных материалов 78
3.2.2. Особенности статических неразрушающих испытаний «слабых» модельных материалов 81
3.2.3. Особенности определения прочности хрупких модельных материалов на растяжение при раскалывании 85
3.2.4. Определение коэффициента Пуассона модельных материалов по результатам испытаний на раскалывание и осевое растяжение 89
3.2.5. Результаты комплексных исследований модельного материала 92
3.3. Приближенные методы определения сдвиговых характеристик модельных грунтовых материалов 95
3.4. Оперативное определение динамических характеристик модельных грунтовых материалов 99
3.5. Учет влияния вибрации на сопротивление грунта сдвигу при модельных исследованиях 105
Глава 4. Совершенствование техники модельных динамических исследований негрунтовых конструкций, взаимодействующих с грунтом 120
4.1. Моделирование сейсмического воздействия 120
4.1.1. «Импульсный» метод моделирования сейсмического воздействия 122
4.1.2. Устройства для моделирования воздействия «импульсным» методом 123
4.1.3. Об одной возможности применения жестких сейсмоплатформ 132
4.2. Измерение динамического давления грунта на жесткие конструкции
сооружений 137
4.2.1. Комплекс для измерения и регистрации динамического давления грунта 141
4.2.2. Испытания и тарировка датчика динамического давления грунта 145
4.3. Особенности применения метода проволочной тензометрии при испытании
моделей из хрупких низкомодульных материалов 150
Глава 5. Результаты экспериментальных исследований 157
5.1. Подпорные стенки на жестком и податливом основаниях 157
5.1.1. Роль собственных колебаний стенок в процессе их взаимодействия с грунтовыми массивами 157
5.1.3. Методические опыты по моделированию податливых оснований 165
5.1.4. Влияние вида динамического воздействия на динамическое давление грунта 169
5.1.5. Влияние жесткости конструкции подпорной стенки на динамическое давление грунта 171
5.1.6. Влияние масштабного фактора на результаты исследования динамического давления грунта 172
5.1.7. Влияние углов наклона поверхности засыпки и тыловой грани стенки на динамическое давление грунта 179
5.2. Динамическая работа галереи водо выпуска 183
5.2.1. Особенности характера динамического поведения галереи под насыпью 184
5.2.2. Напряженно-деформированное состояние галереи при продольном направлении сейсмического воздействия 187
5.2.3. Динамические нагрузки на галерею при поперечном сейсмическом воздействии 191
5.3. Динамическое поведение грунтовой плотины, армированной крупноячеистым бетоннъгм каркасом 195
5.4. Работа плотины из армированного грунта при сейсмических и статических нагрузках 203
5.4.1. Изучение динамических характеристик сооружения 204
5.4.2. Исследование поведения моделей плотины из армированного грунта в стадии разрушения 211
Глава 6. Инженерные методы сейсмических расчетов жестких конструкций гидротехнических сооружений, взаимодействующих с грунтом, и сооружений из армированного грунта 218
6.1. Определение динамического давления грунта на подпорные стенки в условиях жесткого и податливого оснований 218
6.1 Л. Расчет динамического давления грунта на жесткую стенку в условиях жесткого основания 219
6.1.2. Определение динамического давления на стенку при податливых основаниях 223
6.1.3. Учет влияния углов наклона поверхности засыпки и тыловой грани стенки на динамическое давление грунта при основаниях разной податливости 227
6.1.4. Верификация зависимостей для расчета динамического давления грунта на стенку 229
6.2. Определение сейсмических нагрузок от грунта на подземные протяженные
сооружения. 232
6.2.1. Расчет нагрузок от грунта при продольном сейсмическом воздействии 233
6.2.2. Расчет нагрузок от грунта при поперечном сейсмическом воздействии 237
6.3. "Применение метода кругло-цилиндрических поверхностей скольжения к-
расчету устойчивости армогрунтовой плотины в узком скальном русле 242
Заключение 256
Литература
- Особенности моделирования податливых оснований
- Особенности статических неразрушающих испытаний «слабых» модельных материалов
- «Импульсный» метод моделирования сейсмического воздействия
- Роль собственных колебаний стенок в процессе их взаимодействия с грунтовыми массивами
Введение к работе
Актуальность проблемы. Изучаемые конструкции - подпорные стенки, галереи под насыпями, свайные и армогрунтовые конструкции имеют широкое распространение в практике гидротехнического и промышленно-гражданского строительства. Особенность их в том, что по всей площади своего контура (сваи, элементы дисперсного армирования грунтовых сооружений, крупноячеистые армирующие конструкции плотин) либо по большей его части (подпорные стенки и галереи) они взаимодействуют с грунтом. Характер взаимодействия, когда масса грунта многократно превышает массу негрунтовых частей сооружения, весьма сложен, что затрудняет математическое описание их поведения, особенно, при динамических воздействиях.
Ряд исследователей поддерживает точку зрения, согласно которой эти сооружения следует рассматривать как динамические системы, учитывая влияние грунта в виде некоторой присоединённой массы, колеблющейся вместе с конструкцией. Другая точка зрения состоит в том, что определяющим фактором в динамическом взаимодействии конструкции с грунтом является последний. Именно колебания массива грунта определяют и характер движения, и величины нагрузок на конструкцию. Но и здесь существуют определённые противоречия. Многие, например, склонны считать, что динамическое давление грунта на подпорные стенки связано с дополнительными смещениями призм обрушения, формирующихся при смещении этих стенок. Другие полагают, что оно возникает, как реакция неподвижной (или малоподвижной) стенки на смещение частиц грунта в сейсмической волне. Эти два подхода дают принципиально разные результаты и по характеру распределения и по величинам динамических нагрузок. Первый подход заложен в нормативных документах, хотя усилия в конструкции согласно второму оказываются в 2.. .4 раза большими.
Различия во взглядах на характер взаимодействия между негрунтовыми элементами сооружения и окружающим их грунтом
свидетельствуют о недостаточной изученности физической природы этого явления и указывают на необходимость продолжения соответствующих исследований. Очевидно, наиболее репрезентативными были бы результаты изучения поведения реальных сооружений, что, однако, является весьма сложным и дорогостоящим. Достаточно надёжными, хорошо отражающими физику явления, являются результаты исследований поведения физических моделей при условии адекватного воспроизведения как характеристик материалов реальной конструкции и грунта, так и действующих в системе <<кон(лрукция-грунт>> нагрузок и сил взаимодействия на контактах. Именно такой путь исследования был принят в настоящей работе.
Лель и задачи работы. Цель диссертационной работы состоит в решении научно-технической проблемы проектного обоснования сейсмостойкости гидротехнических сооружений, негрунтовые конструкции которых взаимодействуют с грунтовыми массивами, с изучением характера динамического взаимодействия этих конструкций и вмещающего их массива грунта, и выработкой инженерных решений для определения динамических нагрузок на сооружения при сейсмических воздействиях. В связи с этим в ходе работы были поставлены и решены следующие задачи:
проанализировать существующие рекомендации по моделированию конструкций сооружений, взаимодействующих с грунтом, и сформулировать требования по воспроизведению на модели силовых факторов как динамических, так и статических;
разработать модельные материалы, позволяющие воспроизводить поведение бетонных конструкций вплоть до стадии разрушения, а также искусственные грунты с повышенной плотностью и деформативностью;
- усовершенствовать существующие и создать новые оперативные методы
определения физико-механических характеристик негрунтовых и грунтовых
модельных материалов;
предложить и внедрить в практику экспериментальных исследовании новые методы воспроизведения сейсмических нагрузок, имеющих волновой характер и заданные амплитудно-частотные характеристики;
разработать конструкцию малогабаритного датчика для определения динамического давления грунта на негрунтовые элементы сооружений при исследованиях на малых моделях;
используя новую технику исследований провести испытания моделей на динамические нагрузки с изучением характера взаимодействия грунта и негрунтовых элементов конструкции;
на основе анализа полученных результатов разработать либо усовершенствовать инженерные методы расчёта негрунтовых элементов сооружений, взаимодействующих с грунтами засыпок и композитных сооружений типа армогрунтовых конструкций на динамические (сейсмические) воздействия.
Научная новизна методической части работы состоит в том, что созданные автором диссертации новые модельные материалы, методы и приборы для их изучения, способы моделирования сейсмических нагрузок и приборы для измерения динамического давления грунта позволили получить новые сведения о характере динамического поведения негрунтовых конструкций, взаимодействующих с грунтом засыпок. Результаты работы дают возможность проведения модельных исследований на более высоком уровне с воспроизведением волнового характера и частотного состава сейсмического воздействия,- позволяя изучить состояние модельного объекта вплоть до стадии разрушения.
В ходе исследований получены некоторые новые критерии и методы моделирования отдельных видов негрунтовых конструкций, взаимодействующих с грунтом, в частности, при изучении работы свай и сооружений из армированного грунта, давшие возможность расширить границы моделирования.
Модельные исследования показали, что динамическое поведение
таких конструкций определяется динамическими характеристиками
вмещающего грунтового массива. Динамические характеристики грунтовых подпорных сооружений, армированных крупноячеистыми каркасами, либо с дисперсным армированием могут быть найдены без учёта жесткости армирующих элементов, как для чисто грунтовых конструкций.
Исследования моделей подпорных стенок показали, что при жёстком основании динамическая нагрузка на стенку от грунта имеет распределение, близкое к треугольному с вершиной у подошвы стенки. Аналитическое решение задачи (в волновой постановке) о взаимодействии жёсткой стенки на жёстком основании с грунтом позволило получить зависимость для расчёта этой нагрузки, которая оказывается существенно выше определённой по нормативным документам. Экспериментальные исследования жёстких подпорных стенок на основаниях разной податливости выявили закономерность изменения величины и характера распределения динамического давления грунта с учётом этого фактора, а также с учётом физико-механических характеристик грунта засыпки, геометрии стенки и угла наклона поверхности засыпки.
Эксперименты, посвященные изучению работы галерей под насыпями, позволили установить особенности характера их взаимодействия с сейсмической волной, распространяющейся в грунте, дали возможность построить адекватную расчётную схему взаимодействия конструкции с грунтовым массивом и найти все динамические нагрузки от грунта, необходимые для расчёта сооружения.
Результаты экспериментов на модели плотины из армированного
грунта в клинообразном скальном русле выявили особенности характера её
динамического поведения, накопления повреждений в конструкции при
повторяющихся сейсмических толчках и дали возможность построить
расчётную схему устойчивости откосов плотины с учётом
пространственности её работы
Таким образом, на основе экспериментальных и теоретических
исследований в работе сформулирован ряд научных положений,
позволяющих расширить рамки возможностей модельных исследований,
уточнить физические представления о характере взаимодействия негрунтовых конструкций сооружений с грунтом и получить расчётные зависимости, необходимые для оценки прочности и устойчивости таких сооружений.
Аостоверностъ результатов исследований. Достоверность результатов
экспериментов обусловлена адекватностью принятых критериев
моделирования (линейно-упругий характер работы грунта и негрунтовых элементов в ожидаемом диапазоне сейсмических ускорений), нашедшей подтверждение в процессе исследований; использованием апробированных методов и приборов для регистрации относительных деформаций и ускорений; исключением источника систематических ошибок (армирующего эффекта наклеиваемых тензорезисторов) при работе с низкомодульными малопрочными материалами; применением новой конструкции датчика динамического давления грунта и метода его калибровки, исключающих влияние «арочного эффекта» в грунте и масштабного фактора на результаты измерений; проведением масштабной серии экспериментов, подтвердившей правомерность переноса её результатов на натурные объекты.
Достоверность результатов экспериментально- теоретических и теоретических исследований обусловлена адекватностью постановки их задач, подтверждённой в ходе эксперимента, хорошим согласованием с результатами независимых полунатурных опытов и собственных экспериментальных данных.
Практическая иенность и значимость работы. В работе предложены новые критерии моделирования свайных конструкций и армогрунтовых сооружений, позволившие расширить возможности их экспериментальных исследований.
Все предложения по совершенствованию техники модельных
экспериментальных исследований доведены автором до практической
реализации, позволяя сделать их более дешёвыми и оперативными, а
результаты этих исследований - более достоверными. Приведенные в
диссертации результаты могут быть использованы для апробации новых теоретических методов расчёта аналогичных конструкций. На их основе автором получены экспериментально-теоретическое решение задачи определения сейсмического давления грунта на подпорные стенки при разной жёсткости основания, простые инженерные методы определения сейсмических нагрузок на подземные протяжённые сооружения. Разработана достаточно простая методика расчёта устойчивости армогрунтовых сооружений с учётом их пространственной работы в узких скальных руслах.
Результаты исследований реализованы в проектах ряда гидроузлов, возведённых в зонах повышенной сейсмической активности: Курпсайского (Гидропроект), Алаарчинского и Кировского (Киргизгипроводхоз), на р. Малая Алматинка (Казгипроводхоз), а также вошли в учебное пособие «Гидротехнические сооружения» под редакцией Н.П.Розанова (МоскваДгропромиздат, 1985 год.)
Личный вкяаЬ в решение проблеми. В работе представлены результаты многолетних исследований, выполненных в лаборатории сейсмостойкости кафедры Гидротехнических сооружений МГУП (МГМИ), а также в Центре гидравлических исследований Гаванского политехнического института под руководством и при личном участии автора, осуществившего постановку задач по всем указанным направлениям, конечный анализ всех полученных результатов, а также сформулировавшего все основные выводы и рекомендации.
На разных этапах исследований в них принимали активное участие сотрудники и аспиранты автора: Б.И.Думенко, В.П.Шарков, С.Д.Самойлов,
Е.А.Овсенюк, В.В.Пискарев, С.А.Ясиненцкий и Э.С.Сааков — при
разработке методов моделирования сейсмических воздействий; В.П.Шарков,
Нгуен Ван Хуан, В.А.Белохвостов — при разработке и испытаниях датчиков
контактного динамического давления грунта; В.Л.Чернявский,
Ю.Г.Гончаров и А.Г.Косоуров — при разработке модельных материалов;
В.И.Думенко, В.П.Шарков и Рауль Эвора Мендес — при разработке методов
испытания материалов. Изучение работы грунтовых сооружений, армированных крупноячеистыми конструкциями было выполнено автором при участии В.П.Шаркова, поведение подпорных стенок при динамических воздействиях изучалось совместно с М.Юсуповым и д.т.н., проф.
К.А.Ксенофонтовым|, работа протяженных подземных сооружений — с В.И.Думенко и СЛ-Самойловым. Исследования несущей способности свай были выполнены совместно с Исабель Кардосо Виера. Опыты по изучению работ модели армогрунтовой плотины при сейсмических нагрузках выполнены совместно с Н.Шералиевым. В анализе и обсуждении результатов этих опытов активное участие принимали д.т.н., проф. Г.М.Каганов, к.т.н., доц. И.М.Евдокимова, д.т.н., проф. В.И.Бронштейн. Автор считает необходимым особо подчеркнуть важную роль заслуженного
деятеля науки и техники РСФСР, д.т.н., проф. [Н.П.Розанова] в развитии экспериментальных исследований сейсмостойкости гидротехнических сооружений на кафедре Гидротехнических сооружений МГМИ. Без его ценных советов и постоянной помощи эта работа не могла бы появиться.
Автор выражает глубокую благодарность коллективу кафедры Гидротехнических сооружений МГУП, а также учёным и специалистам, принимавшим участие в обсуждении и апробации работы на всех этапах её выполнения.
На защиту выносятся.
расширенные критерии подобия при моделировании свайных конструкций;
новые модельные материалы, физико-механические характеристики которых позволяют изучить поведение бетонных гидротехнических сооружений или их элементов вплоть до стадии разрушения;
комплексный оперативный метод определения физико-механических характеристик хрупких модельных и строительных материалов, дающий возможность получить с малого числа образцов большой объём информации;
новые методы и устройства для воспроизведения на моделях сооружений сейсмического воздействия с учётом его волнового характера, частотного состава и длительности;
конструкция, методика тарировки и рекомендации по применению малогабаритного пьезоэлектрического датчика контактного динамического давления грунта, обеспечивающего достоверность результатов измерения на малых моделях;
положение о доминирующей роли грунта в поведении конструкций гидротехнических и других сооружений, взаимодействующих с грунтами засыпок, позволяющее не учитывать в расчётах на сейсмостойкость их собственные динамические характеристики и использовать упрощённые, квазистатические расчётные методы;
инженерный метод определения динамического давления грунта засыпки на подпорные стенки с учётом податливости основания, геометрии засыпки и физико-механических характеристик грунта;
инженерный метод определения сейсмических нагрузок на подземные протяжённые сооружения типа галерей под насыпями при продольном и поперечном направлениях воздействия;
методика расчёта устойчивости армогрунтовых подпорных сооружений в узких створах при сейсмических воздействиях, с учётом сил взаимодействия на контакте с бортами русла.
Лпробация работы. Основные положения настоящей работы
неоднократно обсуждались и были одобрены на научно-технических
конференциях МГМИ (1978,1979,1982,1984,1986г.г.) и МГУП (1990,
1992,1996,2000г.г.), на Всесоюзных научно-технических координационных
совещаниях по гидротехнике в 1973,1975,1981,1982 годах. Выносились на
обсуждение широкого крута гидротехнической и научной общественности
путём публикации в ж. «Гидротехническое строительство» за
1978,1980,1996,1998,2001г.г. и ж. «Строительство и архитектура» (известия
ВУЗов) за 1979,1983,1988г.г., ж. «Строительство» (известия ВУЗов) 1995 и
2001г.г.
Публикации. Список литературы по теме диссертации содержит 23 наименования научных статей и 9 изобретений, подтверждённых авторскими свидетельствами.
Объём и структура диссертации. Работа имеет общий объём 279 страниц машинописного текста, включая 95 рисунков и 15 таблиц. Структурно состоит из введения, дающего общую характеристику работы, шести глав и заключения. Содержит список литературы из 93 наименований, включая 82 работы отечественных и 11 работ зарубежных авторов, а также основные условные обозначения.
В первой главе рассмотрены особенности моделирования сооружений, жёсткие конструкции которых, взаимодействуя с грунтом, образуют сложную динамическую систему. Показан круг вопросов, которые могут быть решены для таких систем методами физического моделирования.
Вторая глава посвящена описанию объектов выполненных модельных исследований, методики их проведения и задач, решаемых в ходе испытаний. Подробно рассмотрены вопросы методики моделирования работы свай, не нашедшие достаточного освещения в научно-технической литературе.
В третьей главе приведены сведения о материалах с заданными свойствами для изготовления бетонных конструкций и «эквивалентных» искусственных грунтах, используемых при моделировании. Описаны новые методы их испытаний, позволяющие при небольших материальных и временных затратах получить всю необходимую информацию.
В четвертой главе дано описание новых методов моделирования сейсмического воздействия, позволяющих воспроизвести его волновой характер и требуемый частотный состав колебаний. Приведено описание нового пьезоэлектрического датчика динамического давления грунта на ограждения, методики его испытаний и тарировки. Даются рекомендации
по измерениям относительных деформаций моделей из «слабых» низкомодульных материалов.
Пятая глава содержит описание результатов исследований модельных объектов: подпорных стен на жёстких и податливых основаниях; галерей под насыпями при разном направлении сейсмического воздействия; грунтовой плотины, армированной крупноячеистыми каркасами и плотины из армированного грунта в узком скальном русле. Приведены результаты методических опытов по оценке влияния допущений, принятых при моделировании. Даётся анализ результатов, позволивший внести ясность в представление о физической природе взаимодействия рассматриваемых конструкций с грунтом.
В шестой главе приводятся инженерные методы расчёта динамических нагрузок от грунта на подпорные стенки при основаниях разной податливости и напряжений в подземных галереях от сейсмических воздействий разного направления, а также расчёт устойчивости плотины из армированного грунта с использованием метода кругло-цилиндрических поверхностей скольжения, учитывающий пространственный характер её работы.
Б заключении приводятся главные результаты диссертации и общие выводы, а также сведения о научной новизне, достоверности и области применения результатов.
Особенности моделирования податливых оснований
Объектами настоящих исследований были наиболее распространенные негрунтовые конструкции гидротехнических и других сооружений, взаимодействующие с грунтом при динамических и статических нагрузках. Изучению некоторых из них посвящено значительное число работ как теоретического, так и экспериментального плана (подпорные стенки), однако, противоречивость результатов этих исследований не позволяет считать вопрос их динамического поведения решенным, особенно, если основанием сооружения являются мягкие грунты.
Еще менее изучена динамическая работа протяженных негрунтовых конструкций (трубы, галереи) под насыпями.
В последнее время все большее распространение получают грунтовые сооружения с дисперсным армированием, либо армированные жёсткими ячеистыми армокаркасами. Сведения о работе таких сооружений в условиях сейсмических (и других динамических) воздействий в научно-технической литературе практически отсутствуют. Все сказанное определило выбор перечисленных конструкций в качестве объектов модельных исследований, результаты которых приведены в настоящей работе.
В гидротехническом строительстве, так же как и в других его областях, широко применяются сооружения на свайных основаниях. Изучению несущей способности свай посвящены многие работы как теоретического плана, так и выполненные в экспериментальной постановке.
Эксперименты, обычно, проводят в натурных, либо лабораторных условиях с крупноразмерными (натурными) сваями, что затрудняет изучение всего объекта, основанием которого являются большое число свай, взаимодействующих Друг с другом как через сооружение, так и через грунтовый массив, их вмещающий. Решение такой объемной задачи могло бы быть выполнено с использованием малоразмерных физических моделей, однако, препятствием этому является недостаточная ясность вопросов моделирования подобных конструкций. Последнее обстоятельство определило выбор забивных свай в качестве объекта наших исследований.
Об оценке характера динамической работы жёстких конструкций сооружений, взаимодействующих с грунтами засыпок
Оценка динамической работы таких, достаточно массивных конструкций типа подпорных стенок, галерей и труб под насыпями часто осуществляется с позиций противоречащих друг другу. Так, по характеру динамического поведения подпорных стенок при землетрясении известны три основных точки зрения. Согласно первой из них в процессе динамического воздействия в грунте засыпки за стенкой формируется призма обрушения (или выпора), давление которой на конструкцию больше, чем в условиях статической работы. Это вызывает появление дополнительной нагрузки — сейсмического активного или пассивного давления грунта, распределение интенсивности которого по высоте стенки следует линейному закону при нулевом значении у поверхности засыпки с максимумом у подножья стенки. Величины давления при этом существенно зависят от сдвиговых характеристик грунта засыпки. Эта точка зрения принята и в действующем нормативном документе на проектирование сейсмостойких конструкций [71].
Другая точка зрения исходит из динамического подхода к оценке работы стенок, полагая, что сооружение вместе с частью вмещающей его грунтовой среды образует объединенную динамическую систему.
Последняя, включающая подпорную стенку и присоединенную массу грунта, имеет собственные динамические характеристики, и должна рассматриваться с позиции спектральной динамической теории. На основе этой теории может быть выполнен расчет системы на любое динамическое воздействие, если известны ее динамические характеристики: частоты и формы ее собственных колебаний и характеристики их затухания. Такой подход принят, например, в [40,69,76]. Определение этих характеристик, однако, является непростой задачей, поскольку не совсем ясно, прежде всего, каким же следует принимать размер массива грунта, активно участвующего в колебаниях системы «стенка-грунт» и определяющего величину присоединенной массы грунта. В [40], например, предлагается принимать его равным четверти длины упругой волны в грунте, независимо от размеров и степени массивности конструкции стенки. Предложение это, правда, выглядит несколько условным. Трудно представить себе, чтобы подпорная стенка высотой, например, 1м вовлекла в движение массив грунта такой же протяженности, что и стенка высотой 10м. Неясными до сего времени являются и вопросы затухания колебаний рассматриваемой системы при различных конфигурациях массива засыпки и характеристиках грунта последней.
Существует и третья точка зрения, согласно которой динамическая работа сооружения, взаимодействующего с грунтом, определяется, главным образом, динамическими свойствами массива грунта, вмещающего сооружение. При этом роль собственных колебаний стенки и связанных с ними резонансных явлений незначительна из-за большой диссипации энергии в грунте. Динамические нагрузки на сооружение от грунта возникают при распространении сейсмической волны в массиве засыпки и основания, как реакция на ограничение перемещений в грунтовой среде со стороны относительно более жесткой стенки. [56].
Особенности статических неразрушающих испытаний «слабых» модельных материалов
Плотины из армированного грунта получили в последнее время признание гидротехников из-за достаточно высокой технологичности и относительно малых сроков строительства. Построены и успешно эксплуатируются, например, грунтовые плотины с вертикальной низовой гранью, армированные полосовой арматурой, стальной, алюминиевой или из геотекстиля — «дисперсное» армирование (рис.2.8,й). Известны предложения [52] по армированию высоких плотин горизонтальными железобетонными армопоясами в зонах, примыкающих к откосам, с целью увеличения сейсмостойкости сооружения (рис.2.8,6). Эффективность такого армирования обусловлена улучшением прочности и деформативных свойств материала в зоне армирования: при сползании возможного отсека обрушения должны быть преодолены не только силы сопротивления грунта по поверхности скольжения, но и силы сопротивления арматуры срезу или разрыву. Это приводит к смещению возможной поверхности обрушения вглубь массива грунта, где напряженное состояние сооружения более благоприятно.
Достоинством горизонтального армирования является высокая его технологичность. Даже при относительно большой высоте армопоясов (Зм.-[52]) нарушения технологии укладки грунта в их зоне незначительны. «Дисперсное же армирование практически не влияет на процесс укладки грунта. Важным свойством грунтовых конструкций с горизонтальными армирующими элементами является возможность пропуска расходов через тело плотины (плотина Тейлор Драй, высота 22,6м, вертикальная низовая грань; плотина Палуна, высота 40м, наклонная низовая грань). Определенным недостатком горизонтальной схемы армирования является то, что в плотинах из слабых грунтов, либо возводимых на слабых основаниях, т.е. в сооружениях, имеющих относительно распластанный профиль, длина армопоясов или арматурных полос, необходимая для заглубления возможной кривой скольжения внутрь профиля, должна быть достаточно большой. Наиболее предпочтительной в этом отношении является радиальная схема (рис.2.9,йг), при которой армирование осуществляется жесткими стенками, ориентированными вдоль откоса плотины и направленными радиально по отношению к центру предполагаемой кругло-цилиндрической поверхности скольжения. Очевидным недостатком такой схемы, однако, является сложность возведения наклонных стен и укладки грунта вблизи их нависающих граней даже при незначительной высоте яруса бетонирования и карты уплотнения грунта.
Проще эти задачи решаются при армировании откосов вертикальными продольными (вдоль оси плотины) стенками (рис.2.9,б). Такой тип армирования нашел широкое применение при проведении противооползневых мероприятий на потенциально неустойчивых склонах [34]. Заслуживает он внимания и в гидротехническом строительстве [18]. На рис.2.9,(? приведена схема плотины, армированной вертикальными элементами на слабом нескальном основании, подстилаемом скалой. В этом случае обжатие профиля достигается смещением возможной поверхности скольжения к нижним концам вертикальных стен, возведение которых ниже дневной поверхности осуществляется, например, методом «стена в грунте» с применением пересекающихся буронабивных свай или траншейных стенок.
Известным недостатком такой схемы армирования грунтовых откосов является невозможность пропуска воды через сооружение: при размыве грунта у стенки последняя, теряя устойчивость, выключается из работы, что может привести к лавинообразному нарастанию повреждений и разрушению плотины. Для улучшения работы системы «армирующая стенка»- грунт целесообразно устройство поперечных стен, соединяющих продольные и образующих с ними единый ячеистый каркас. Расстояние между стенами, как в продольном, так и поперечном направлениях должно быть достаточно большим (10м...20м), позволяющим производить отсыпку и уплотнение грунта между ними без существенного усложнения технологии этих работ. Заметим, что низовой клин плотины, показанной на рис 2.9,6 вполне может обладать достаточной устойчивостью и без верхового клина, особенно при доведении верховой стенки до подстилающей скалы (рис.2.9,г). Такая конструкция является подпорным грунтовым сооружением, армированным крупноячеистым каркасом, и может рассматриваться как вариант, альтернативный обычной грунтовой плотине на скальном и нескальном основаниях. Некоторая модификация этой схемы (рис. 2.9,с[) позволяет использовать такую конструкцию в качестве водосбросного сооружения, работающего по типу перепада. Одна из таких схем использована при возведении селехранилища на р. Б. Алматинка (рис.2.10).
Плотина селехранилища при наибольшей высоте 32м имеет длину по гребню 385м. В примыканиях к берегам она выполнена грунтовой, с одинаковыми коэффициентами заложения верхового /я, и низового т2 откосов (щ =т2 =2). Центральная часть плотины, перекрывающая русло и пойму, армирована ячеистым каркасом. Размеры ячеек последнего в плане составляют 8,5м. и 12,8м. при толщине стенок 1,5м. Каркас разрезан деформационными швами на секции длиной вдоль оси плотины 30м и вдоль потока- 37м. Она и послужила прототипом для модели в наших исследованиях. Модель была выполнена в масштабе 0 =100. Материал каркаса имел характеристики: Едс = ЗОООмПа; рс =1,08 m/л 3; д. =0,18; материалы основания и засыпки - Ед ъ =109мПа; р03 =1,64 m/л 3; //03 =0,3. Сейсмическое воздействие воспроизводилось «импульсным» методом в сейсмолотке с плановыми размерами 3,7 х 3,2м. Модель была оснащена пьезоакселерометрами для измерения горизонтальных ускорений, установленными у основания модели, на середине высоты напорной грани и у гребня. В последнем случае ускорения измерялись в двух точках — на стенке каркаса и на грунте, в непосредственной близости к стенке.
«Импульсный» метод моделирования сейсмического воздействия
Устройства для мод елирования ВОЗА ействия «импуль сным» методом Реализация идеи «импульсного» метода в простейшем варианте представлена на рис.4.1. Здесь в массив основания, выполненный с соблюдением условий (4.1) вмонтирован вкладыш. Ударом груза по вкладышу, минимальная площадь поперечного сечения которого определяется прочностью материала основания, в массиве последнего генерируется волна деформаций. Распространение волны создает на его поверхности сложную картину колебаний, воспроизводящих на модели сейсмическое воздействие со спектром, определяемым собственными частотами этого массива. Преобладание той или иной частоты в спектре модельного воздействия определяется тоном, доминирующим в процессе собственных колебаний основания. Этот процесс, в известной мере, поддается регулированию. Например, при ударе по вкладышу груза большой массы с относительно малой скоростью в большей степени возбуждаются низкочастотные колебания, соответствующие основному тону, тогда как удар грузом меньшей массы с большой скоростью приводит к увеличению доли высоких частот в спектре воздействия. Желаемой трансформации последнего можно добиться и путем размещения между вкладышем и грузом-ударником прокладок различной жесткости для регулирования резкости удара с изменением импульса его силы. Применение прокладок, например, из жесткой резины увеличивает вклад низких частот, прокладка из прочной древесины или металла поднимает долю высокочастотных колебаний. Используя прокладки различной жесткости можно влиять не только на частотный состав модельного воздействия, но и на направленность вектора сейсмического ускорения. На рис.4.3 приведены акселерограммы колебаний, зафиксированные на свободной поверхности блока модельного основания с плановыми размерами 120 х 160см и высотой 50см, модулем упругости около ЗОООмПа, плотностью р = 1440/сг/м3 и коэффициентом Пуассона ju =0,27. Вкладыш был вмонтирован в основание в середине высоты по оси блока, вдоль меньшей его стороны. Акселерометры регистрировали ускорения колебаний в направлениях возбуждающего импульса у и перпендикулярно ему - х. Из данных рис.4.3,л видно, что при нанесении удара по вкладышу из твердых пород дерева велик вес высокочастотных колебаний (1200Гц... 1500Гц), при этом соотношение ускорений по направлениям у и х примерно равно 2. При сообщении импульса силы через прокладку из твердой вулканизированной резины (в) преобладающими стали частоты 230Гц. ..250Гц, а соотношение составляющих ускорения по указанным направлениям возросло до 15, то есть, направление вектора ускорения практически совпало с направлением импульса силы.
Импульсное возбуждение основания чаще всего осуществляется с помощью маятникового ударного устройства, показанного на рис.4.4. Здесь простота конструкции сочетается с простотой определения энергии Э, которой обладает груз в момент соударения с вкладышем. Действительно, кинетическая энергия груза при этом равна (если пренебречь потерями на трение) потенциальной его энергии относительно низшего положения центра груза, соответствующего, обычно, моменту удара, то есть: 3 = Mg(R-VR2-L2), (4-3) где М - масса ударника, g =9,81 м/с2, остальные обозначения ясны из рис.4.4.
Маятниковая схема возбуждения обладает и определенными недостатками. Так, при больших моделях необходима значительная длина маятника. Сложность представляет и процесс отвода, фиксации тяжелого груза в заданном положении и его сброса. Сброс обычно осуществляют, перерубая фиксирующий элемента, выполненный из проволоки мягкого металла, либо пережигая его электрическим током. Оба эти способа небезопасны и не обеспечивают мгновенного освобождения груза.
При проведении исследований на крупноразмерных моделях импульсное возбуждение может быть осуществлено по схеме, показанной на рис.4.5. Здесь груз-ударник может перемещаться по рельсовому пути с изменяемым уклоном. Энергия груза регулируется как длиной его пробега, так и уклоном рельсового пути. При габаритных размерах производственного помещения, не позволяющих устроить путь достаточной длины, перемещение ударника может быть выполнено принудительным с тросо-блочным приводом, например, от вертикально падающего груза, либо по схеме на рис.4.6, где начальная скорость ударнику 2 сообщается через рычаг 6 системой пружин 7 и 8. Во всех этих случаях отвод и фиксацию ударника осуществляют с помощью лебедки 10 с храповым механизмом, а сброс — освобождением храповика.
В рамках «импульсного» метода возможно регулирование длительности модельного сейсмического воздействия [15,26]. С этой целью на рельсовом пути за основным грузом 2 размещают дополнительный 3 груз-ударник, соединенный с первым жесткой тягой 4, проходящей через отверстие в дополнительном грузе, и снабжённой упором 5. Перемещаясь по направлению к модели за основным, на расстоянии, заданном свободной длиной тяги, дополнительный груз «догоняет» груз основной после соударения его с вкладышем 1 и сообщает ему и массиву основания новый импульс силы. Варьируя с помощью упора 5 начальное расстояние между грузами, можно изменять длительность интервала времени между возбуждающими импульсами, меняя длительность воздействия.
Роль собственных колебаний стенок в процессе их взаимодействия с грунтовыми массивами
Устройства для измерения давления грунта как в отдельных точках грунтового массива, так и на контакте последнего с негрунтовыми конструкциями, давно используются в экспериментальных исследованиях [68,80]. Чаще всего для этого применяют датчики с приемным элементом в виде мембраны, прогиб которой под давлением грунта регистрируется с помощью преобразователей разного типа — индуктивного, емкостного, тензорезисторов и других. Такие конструкции просты в изготовлении и эксплуатации, достаточно надежны, однако, обладают существенным недостатком — относительно малой жесткостью мембраны, обусловленной чувствительностью преобразователя и вторичной аппаратуры. При измерении давления на жесткие бетонные или другие конструкции прогиб мембраны опережает деформации грунтового массива на контакте с ней из-за образования в грунте, особенно сыпучем, вторичных распорных систем — рис.4.13 - проявляется так называемый «арочный эффект». Влияние его, очевидно, тем больше, чем крупнее частицы грунта по сравнению с размерами мембраны датчика. Это следует учитывать при использовании малогабаритных датчиков давления, даже если жесткость их приемного (чувствительного) элемента велика. Действительно, если размер частиц грунта d близок к диаметру D чувствительного элемента, как это показано на рис.4.14,а, то ошибка измерений очевидна: на приемную поверхность А датчика будет действовать сосредоточенная сила, отнюдь не равная произведению р А, где р - давление в грунтовой среде. С уменьшением диаметра частиц усилие, воспринимаемое датчиком, все более будет приближаться к величине/) А — рис.4.14, 5, а влияние этого обстоятельства — «масштабного фактора» — сокращаться. Следует ожидать, что при достаточно большом значении соотношения D/d сигнал датчика будет пропорционален давлению грунта на конструкцию.
В ходе исследований на натурных или крупных модельных объектах, когда размеры датчика не имеют существенного значения, влияние этих обстоятельств - «арочного эффекта» и «масштабного фактора» не приводит к заметным погрешностям измерений. Иначе обстоит дело, когда работа с моделями малого размера требует применения малогабаритных датчиков. Обычно грунтовые массивы таких моделей выполняют из натурных грунтов, что обусловливает относительно небольшое соотношение размеров приемного элемента датчика и частиц грунта, приводя к росту влияния указанных факторов и,
соответственно, ошибок в оценке измеряемой величины. Для определения истинного значения давления грунта на жесткую конструкцию необходимо равенство деформативностей ее материала и чувствительного элемента датчика под нагрузкой. Добиться этого в реальных условиях эксперимента весьма трудно. Однако, учитывая, что при малых размерах датчика и очень высокой его жесткости, податливость приемного элемента датчика под давлением грунта будет, в основном, определяться податливостью материала конструкции, в которую он вмонтирован, роль «арочного эффекта» может быть сведена к минимуму использованием приёмных элементов, обладающих очень высокой жесткостью. В наибольшей степени удовлетворяют этому условию датчики с чувствительным элементом на основе пьезокристаллов или пьезокерамики.
Пьезоэлементы, имеющие высокую жесткость и небольшие размеры, обладают и рядом недостатков, затрудняющих их использование, главными из которых являются: - высокая чувствительность к деформациям не только в направлении электрической оси, но и в других направлениях, в том числе, и к деформациям изгибным («паразитная» чувствительность); - нелинейность характеристики «деформация — сигнал» в зоне низких частот измерения нагрузки.
Как известно, выражение модуля чувствительности (чувствительность) S(ct)) измерительной системы сдатчик — усилитель», представляющего отношение напряжения на выходе вторичного прибора (усилителя) к напряжению (ЭДС) на обкладках пьезоэлемента может быть записано в виде :
