Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор существующих исследований работы подпорных стен при сейсмических воздействиях 9
1.1. Сведения о разрушениях подпорных стен при землетрясениях и их анализ 9
1.2. Теоретические исследования динамического давления грунта на подпорные стены 15
1.2.1. Определение динамического давления грунта на основе статической теории сейсмостойкости. 15
1.2.2. Определение динамического давления грунта по динамической теории сейсмостойкости 32
1.3. Экспериментальные исследования динамического давления грунта на подпорные стены 43
ІЛ. Анализ результатов и основные направления дальней ших исследований 58
2. Методика исследования работы подпорных стен бб
2.1. Задачи и состав модельных исследований, описание моделей бб
2.2. Методика моделирования сейсмических воздействий, описание экспериментальных установок 78
2.3. Используемый комплект аппаратуры и приборов. Методика измерений и обработка результатов 87
3. Экспериментальное изучение динамической работы подпорных стен 92
3.1. Определение динамического давления грунта на жесткую подпорную стену массивного типа, жестко соединенную с основанием 92
3.2. Влияние податливости основания на динамическую работу гравитационных подпорных стен массивного и уголкового типа 99
3.3. Изучение влияния масштаба моделирования на динамическое давление грунта ИЗ
3.4. Влияние конструктивных особенностей системы "основа-ние-стена-поддерживаемый массив" на ее динамическую работу 129
3.5. Влияние угла наклона поверхности обратной засыпки подпорной стены на динамическое давление грунта 136
3.6. Учет степени насыщения грунта засыпки водой на формирование динамического давления 139
3.7. О возможности использования коэффициентов жесткости основания для определения собственных частот подпорных стен 14-2
4. Анализ и обобщение экспериментальных материалов исследования динамической работы подпорных стен на податливых основаниях 145
4.1. Эмпирические зависимости для определения динамического давления грунта на стену с учетом влияния податливости основания 145
4.2. Учет влияния угла наклона и водонасыщенности грунта засыпки на динамическое давление 156
4.3. Определение динамических нагрузок на гравитационные подпорные стены в зависимости от податливости основания 161
Основные выводы и рекомендации 171
Список литературы
- Теоретические исследования динамического давления грунта на подпорные стены
- Методика моделирования сейсмических воздействий, описание экспериментальных установок
- Влияние податливости основания на динамическую работу гравитационных подпорных стен массивного и уголкового типа
- Учет влияния угла наклона и водонасыщенности грунта засыпки на динамическое давление
Введение к работе
Актуальность работы. Основные направления экономического и социального развития СССР на 1981-85 годы и на период до 1990 года ставят новые задачи в области промышленного, гражданского, транспортного и гидротехнического строительства, при которых требуется возведение огромного количества сооружений, как правило, имеющих в своем составе подпорные стены. Часто их приходится строить в сейсмически активных районах, где необходимы дополнительные мероприятия по обеспечению прочности и устойчивости.
Вопросы исследования сейсмостойкости сооружений становятся более актуальными в связи с тем, что в последнее время подобные сооружения все чаще возводятся в горных районах с высокой сейсмичностью, где сейсмические нагрузки становятся иногда определяющими .
Анализ последствий землетрясений происшедших за последнее время показывает, что разрушения сооружений, даже запроектированных с учетом сейсмического фактора, имели место. Так, только в Советском Союзе в результате таких землетрясений, как Ашхабадское 1948 г., Петропавловско-Камчатское 1959 г., Дагестанские 1970, 1975 гг., Камчатское 1971 г., Иефара-Баткенское 1977 г. и др. были повреждены различные сооружения, в т.ч. подпорные стены различного назначения [28, 42, 45, 50, 51, 53, 62, 64, 65, 78] .
Вопросом сейсмостойкости подпорных стен особенно активно начали заниматься после Японского землетрясения 1923 года, во время которого разрушилось огромное количество построек, в том числе и подпорные стены.
Этому вопросу посвящены многие работы таких авторов, как Н.К.Снитко [73, 7 Ш.Г.Напетваридзе [37, 38, 39] , П.П.Куль-мач [30] , А.В.Рухадзе [57, 58, 59] , Т.И.Цагурия [80, 81, 82] , Нгуен Ван Хуан [40] , А.В .Школа [87, 88] , П.И.Яковлев [92, 93, 94, 95, 9б] , Э.В.Данелия [15] , Окамато Ш. [ й-] , Мацуо Н. [102] , HaianoT. [iOO] , Fu &uo4a М.[99] , NasculanH. g04] , Rlcha-гсі R. [іОб] и др.
Основное внимание в исследованиях сейсмостойкости подпорных стен уделялось изучению бокового давления грунта, определяющего работу подобных сооружений. Однако, результаты исследований зачастую носят противоречивый характер. В основном теоретические и экспериментальные работы по этой проблеме ограничиваются рассмотрением жестких или гибких подпорных стен без учета податливости основания, в то время, как чаще всего приходится их возводить на полускальных и нескальных грунтах.
Известно, что величины давления грунта как статического, так и динамического, существенно зависят от перемещения стены, обусловленного податливостью основания. Учет этого фактора представляет весьма сложную задачу, до настоящего времени не имеющую надлежащего решения. В нормативной литературе [б9] для любой конструкции подпорных стен, независимо от вида грунта основания и характера работы стены, при определении сейсмического давления засыпки предлагается одна и та же зависимость, полученная на основе статической теории сейсмостойкости, при рассмотрении предельного состояния по Кулону.
С другой стороны, результаты исследований подпорных стен, жестко соединенных с основанием, показывают, что нагрузки от сейсмического давления грунта составляют внушительную долю от статических, а вид эпюры интенсивности давления совершенно отличается от традиционного треугольника.
Особенно большие затруднения возникают перед проектировщиками при расчете уголковых и контрфорсних подпорных стен, которые в практике гидротехнического строительства имеют широкое применение. При расчете подобных облегченных подпорных стен, для определения динамических нагрузок от грунта непосредственно на горизонтальную и вертикальную плиту по существу нет никаких рекомендаций. Для приближенных расчетов рекомендуется сейсмические нагрузки считать приложенными в вертикальной или наклонной плоскостях,проходящих по тыловой грани горизонтальной плиты.
Кроме того, подпорные стены гидротехнических сооружений почти всегда работают в условиях соприкосновения с водной средой, приводящей, в зависимости от степени насыщения грунта засыпки, к изменению сейсмической нагрузки, что также недостаточно отражено в литературе.
Таким образом, задача определения динамического давления грунта, возникающего при сейсмических воздействиях, решена более или менее удовлетворительно для подпорных стен на неподатливом основании. Б случае податливого основания, даже для простейших гравитационных стен, не говоря о более сложных конструкциях, решение этой задачи требует проведения детальных исследований.
Целью работы является:
- определение закона распределения и силы бокового динамического давления грунта на массивные и уголковые подпорные стены при основаниях различной податливости;
- изучение влияния конструктивных особенностей системы "основание-стена-поддерживаемый массив" на ее динамическую работу;
- оценка сейсмонапряженного состояния подпорной стены в зависимости от изменения характеристик жесткости основания;
- изучение динамического давления грунта в зависимости от степени насыщения его водой.
Научная новизна работы:
- установлена существенная зависимость характера динамического давления грунта от степени податливости основания; полученные для уголковых и массивных подпорных стен эпюры динамического давления грунта при основаниях различной податливости позволили выявить взаимосвязь этих параметров;
- установлено, что система "основание-стена-поддерживаемый массив" не обладает ярко выраженными резонансными свойствами;
- получены характеристики сейсмонапряженного состояния уголковой стены, в зависимости от податливости основания;
- установлена зависимость динамического давления сыпучего грунта засыпки от степени его насыщения водой;
- на основе аналитической обработки результатов экспериментов получены зависимости для определения динамического давления грунта, учитывающие изменение податливости основания, и угла наклона засыпки.
Практическая ценность и реализация работы. Полученные результаты исследования по определению динамического давления грунта на подпорные стены в зависимости от степени податливости основания позволят проектировать подпорные стены с достаточной надежностью.
Материалы исследований использованы при расчете подпорной стены на входе водосброса Нижне-Кафирниганского гидроузла.
Апробация работы. Основные разделы диссертации доложены на конференциях МТМИ в 1980-82 гг., на Всесоюзном научно-техниче ском совещании МИРСС - 81 в г.Ленинграде (Нарва), на научно-технических конференциях Таджикского сельскохозяйственного института в 1982-84 гг. и на научном семинаре и расширенном заседании кафедр "Гидротехнические сооружения" и "Строительная механика" МГМИ. По материалам исследований опубликовано три статьи [3, 7, 91] , написан научно-технический отчет [48] .
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения,четырех глав, выводов и рекомендаций,содержит НО страниц машинописного текста, 4 таблицы и 59 рисунков. Библиография содержит 107 наименований.
Теоретические исследования динамического давления грунта на подпорные стены
Известно, что активное давление определяется без учета смещения стены, т.е. оно является чисто теоретическим предельным значением давления. Действительное давление становится тем больше, чем больше сопротивление стены перемещению и отличается от активного давления по Кулону. Некоторые авторы рекомендуют определять давление с учетом перемещения подпорной стены [25, 72 J , и реальных прочностных и деформативных свойств системы "подпорное сооружение - грунт основания" и засыпки [із] .Действительные эпюры давления, полученные с учетом перемещения стены, отличаются от традиционного треугольника [26].
Тем не менее, исследование вопроса о сейсмическом давлении грунта на подпорную стену ранее велось при допущении предельного равновесия грунта, где возникающие в грунте засыпки сейсмические инерционные силы, в соответствии со статической теорией сейсмостойкости, рассматривались совместно с гравитационными силами и на основе теории Кулона были получены расчетные зависимости для определения активного давления грунта [12] . К одним из первых таких работ можно отнести исследования Р.Бриско [39] .
Задача определения сейсмического давления грунта в дальнейшем была развита Н.Мононобе [44] , на основе предпосылки о прямолинейности линий скольжения как при активном, так и при пассивном давлении грунта. Им предложена зависимость, по которой можно определить активное давление Рв от собственного веса грунта засыпки на подпорную стену (рис.1.3.а) [44] :
Сейсмическое поведение гравитационных подпорных стен рассмотрено в работе [106] , где отмечается, что распространенный в настоящее время метод расчета подпорных стен, основанный на статической теории, может привести к неверным результатам.
Накладывая ограничение на предельные перемещения стены, предлагается модификация метода расчета и проектирования подпорной стены. При этом находится требуемый вес стены, где перемещения не превысят заданного.
Зависимость между весом стены Ww и давлением грунта Ра получается из рассмотрения всех сил действующих на стену (рис.1.36)
В нашей стране одним из первых исследовал динамическое давление грунта на подпорную стену Г.М.Ломизе [39] . Не приводя предложенную им зависимость, отметим лишь то, что, при решении он принимал вертикальную компоненту сейсмического ускорения отсутствующей, а гладкую грань стены наклоненной в сторону засыпки, при горизонтальной поверхности засыпки. Угол естественного откоса им принят меньше, против обычного, на угол 8=a2CtoKh . Им же решен вопрос о пассивном давлении грунта засыпки.
Дальнейшее развитие вопросы исследования подпорных стен получили в работах Ш.Г.Напетваридзе [12, 37, 38, 39] . Найдено, что в процессе сейсмических колебаний в грунте засыпки за подпорной стеной происходит некоторое уплотнение, которое приводит к возникновению дополнительного давления грунта. Так как дополнительное уплотнение происходит преимущественно в верхних слоях грунта, где пригружающее влияние гравитационных сил небольшое, для устойчивости и прочности подпорных стен наиболее опасен другой вид давления грунта, обусловливаемый возникновением сейсмических сил в грунте засыпки [12] . Рассматривая подпорную стену как жесткую конструкцию, при отсутствии каких-либо ее смещений, принято, что интенсивность динамического давления грунта в области откоса (рис.1.4-а) будет равно нормальному напряжению, возникающему вследствии прохождения сейсмических волн в грунте. Ш.Г.Напетваридзе отмечает, что возникающая при этом инерционная нагрузка может привести к полному разрушению или опрокидыванию подпорной стены.
В качестве примера автор [39] приводит случай разрушения бетонной стены в результате воздействия разрушительного землетрясения (рис.1 Лб).
Поскольку в подобной тонкой подпорной стене ее инерционные силы намного меньше, чем таковые, образующие в засыпке, возникшие деформации могут быть обусловлены только сейсмическим напряженным состоянием грунта.
В работе [39] отмечено, что податливость основания существенно может повлиять на сейсмостойкость подпорной стены, тогда как существующие теории, в основном, не учитывают этого фактора. При наличии податливого основания возможны горизонтальные смещения ДХ и поворот подпорной стены относительно вертикальной оси на угол Д0 (рис.1.5).
Методика моделирования сейсмических воздействий, описание экспериментальных установок
Существуют различные способы моделирования динамических (сейсмических) нагрузок, которые подробно описаны в работах [2, 18, 27, 28] . Рассматривая классификацию методов моделирования сейсмических нагрузок по [2] , можно выделить два подхода к моделированию сейсма в лабораторных условиях: платформенный и волновой.
Считается, что при прохождении сейсмической волны под сооружением небольшой протяженности в поперечном направлении, к которым можно отнести и подпорные стены, практически все частицы грунта основания перемещаются одинаково как по величине, так и во времени. В таком случае вполне можно обходиться сейсмо-платформой, все точки которой совершают синхронные колебания, создавая однородное поле ускорения.
При использовании платформенного эффекта принимается упро щенный подход, выражающийся в замене натурного закона колебания более простым, например, гармоническим при заданной начальной фазе, имеющим удобное аналитическое выражение. В зависимости от поставленной задачи при исследованиях пользуются платформами различного типа, от простейших до платформ программного управления .
Однако, взаимодействие грунта с преградой при сейсме, особенно, если грунт основания податливый, носит волновой характер. Возбуждение сейсмической нагрузки, имеющей волновой характер, как известно, возможно осуществлять различными способами, например, использованием механических жестких платформ, представляющих набор подвижных столов, приводимых в действие по заданному временному закону [20, 28] , либо путем возбуждения бегущей волны в эластичном брусе (вальцмасса) и т.д.
При исследованиях нами применялись три способа воспроизведения модельного землетрясения: электровибратором, возбуждающим гармонические колебания массива грунта, с помощью сейсмоплат-формы работающей в режиме "сейсмического толчка" и так называемым "импульсным методом", воспроизводящим на модели акселерограмму с заданным частотным составом и амплитудным ускорением1).
Первый способ нагружения в виде гармонических колебаний синусоидального характера позволял изучать закономерность распределения динамического давления грунта при колебаниях массива с различной частотой и ускорениями вплоть до резонансных колебаний системы "основание-стена-поддерживаемый массив" (описание всех установок приведено ниже).
Воздействие по типу "сейсмического толчка" осуществлялось сейсмоплатформой, ускорение которой описывается законом затухающей косинусоиды, и применялось для изучения динамической работы системы "основание-стена-поддерживаемый массив" в условиях, когда огибающая спектра воздействия на модели приближается к огибающей спектра реального сейсмического воздействия [2, 3 \ .
Этот способ, обладая высокой оперативностью и простотой, не позволяет, однако, смоделировать длительность землетрясения. В принципе, это может привести к искажению получаемых в опытах результатов, поскольку в условиях взаимодействия подпорной стены с грунтом засыпки и основания, вследствие раскачки, максимальные динамические давления могут возникать не мгновенно, а по истечении некоторого времени.
С целью проверки влияния этого фактора на результат исследования в части опытов нагрузки от землетрясения, моделировались "импульсным методом", позволяющим воспроизвести не только огибающую спектра акселерограммы сейсмического воздействия, но и ее длительность.
Заметим, что два последних способа позволяют изучить работу исследуемых сооружений не только в колебательном режиме (режима стоячей волны), но и, что особенно важно, с учетом волнового характера сейсмического воздействия, при взаимодействии их с фронтом сейсмической волны.
Влияние податливости основания на динамическую работу гравитационных подпорных стен массивного и уголкового типа
Значение статического давления на подпорные стены, по мнению авторов работ [25, 72] , может отличаться от активного давления и будет тем больше, чем выше сопротивление стены ее перемещению. Очевидно при динамических воздействиях давление грунта также зависит от перемещения стены, обусловленного податливостью основания.
С целью изучения влияния этого фактора дальнейшие опыты проводились при различных степенях податливости основания. Бетонная плита ( I - 31000 МПа) в последствии заменялась массивом из гипсо-песчанного материала с динамическим модулем упругости основания 4000 МПа и подстилающим слоем песка переменной толщины, при Н. = 60 МПа.
Сейсмическая нагрузка возбуждалась с помощью сейсмоплатфор-мы, работающей в режиме "сейсмического толчка", а для более полного изучения динамической работы сооружения и "импульсным методом".
Результаты опытов (рис.3.1а,б) показывают, что при большем Еь величина динамического давления оставалась практически неизменной. Когда же основанием служил песчанный слой, динамический модуль упругости которого был на несколько порядков меньше, чем у стены, наблюдалось заметное влияние податливости основания на величину и закон распределения динамического давления.
Заметим, что результаты, полученные двумя методами возбуждения сейсмической нагрузки, были достаточно близки между собой (рис.З.Іа,б). Это видно и из сравнения осциллограмм динамического давления, приведенных на рис.3.2.
При песчанном подстилающем слое податливость основания регулировалась изменением ее толщины. С целью исключения влияния жесткости дна контейнера на результаты исследования были проведены методические опыты при различных толщинах подстилающего песчанного слоя t (на рис.З.Ів показана эпюра при t = 10 см). При равной 40 см и выше не наблюдалось заметного приращения интенсивности динамического давления грунта засыпки.
Окончательные опыты проводились при Ь равной 50 см [4] . При этом предварительно было изучено поле ускорений на поверхности грунта. Измерения показали, что за исключением областей, прилегающих к бортам контейнера (10-15 см), поле ускорений по всей площади достаточно равномерно.
В дальнейшем, при установке модели подпорной стены, измерялись ее перемещения в процессе образования засыпки. Для этого стена предварительно закреплялась жесткими связями к контейне-ру. После укладки каждого слоя (25, 40 и 50 см) и снятия связей снимались показания индикаторов. График перемещения точек стены показан на рис.3.4. После полного загружения стена имела перемещение в виде сдвига с поворотом при незначительной осадке. Как и в случае с жестко заделанной стеной, собственные частоты системы "основание-стена-поддерживаемый массив" оказались по величине больше, чем собственные колебания массивной стены (55 Гц против 45 Гц до засыпки).
Динамическое давление грунта замерялось вначале при небольших ускорениях 0,025g , 0,05а с тем, чтобы иметь возможность наблюдать за поведением стены по мере увеличения ускорения (рис.З.Іг). Однако, как видно из рис.3.1д,е, при ускорениях 0,1д и выше, увеличение динамического давления грунта не было пропорционально ускорениям.
На рис.3,1е показано сравнение динамического давления грунта (W = 0,25 о ) с нормативным значением (W = 0,1 g , А К, = 0,IQ ). Несмотря на высокую интенсивность модельного воздействия, величина давления не превышала активного сейсмического давления, найденного по нормам. Стена при этом с каждым последующим нагружением получала значительные остаточные смещения, что привело ее в конечном итоге к потере устойчивости. Это, видимо, связано с тем, что появление большого динамического давления привело к таким перемещениям стены, которые вызвали образование призмы сползания [7l] . В дальнейшем при больших ускорениях грунт не успевал виброуплотняться (вследствие прогрессирующих смещений стены), и динамическое давление грунта устанавливалось за счет уже сформировавшейся призмы сползания. Некоторое увеличение интенсивности динамического давления в верхней половине стены (рис.3,1е) по сравнению с рис.3.Ід, обусловлено колебаниями призмы сползания, взаимодействующей с подпорной стеной.
Результаты предварительных опытов с массивными подпорными стенами показывают, что податливость основания существенно влияет на величину динамического давления грунта и на поведение стены в целом. По нашему мнению, массивные подпорные стены обладают достаточной сейсмостойкостью лишь при скальных и полускальных основаниях. В условиях нескальных оснований (при сейсмичности 9 баллов) инерционные нагрузки от веса стены, складываясь с динамическим давлением грунта засыпки, вызывают большие перемещения (сдвиги) в грунте основания, что приводит к потере устойчивости стены. Дополнительные мероприятия по повышению устойчивости, видимо, приведет к удорожанию сооружения.
Как отмечалось, в практике гидротехнического строительства широкое применение имеют облегченные подпорные стены контрфорсного и уголкового типа [52, 79] . Здесь однако остается неясным вопрос о величине и законе распределения динамического давления грунта на тыловую грань вертикальной плиты, а также на верхнюю грань и подошву фундаментной плиты.
Учет влияния угла наклона и водонасыщенности грунта засыпки на динамическое давление
Анализ проведенных опытов при различных углах наклона засыпки oL приводит к заключению, что динамическое давление грунта зависит от этого параметра. Необходимо отметить, что опытные точки, полученные делением величины приращения динамического давления ЛРС к Р& (равнодействующей динамического давления при горизонтальной поверхности) при различных углах оС, показаны на одном рисунке. Это обусловлено тем, что в опытах при постоянном оС , независимо от податливости основания, указанное отношение оставалось практически неизменным. Это позволило аппроксимировать опытные точки одной кривой (рис. 4.5), выраженной в следующем виде:
Заметим, что хотя приращение эпюры динамического давления &РС по отношению к силе Рс оставалось постоянным при основаниях разной податливости, форма этих эпюр в зависимости от Л. менялась таким образом, что точка приложения силы Pt смещалась по высоте (кроме опытов при скальных грунтах). Обработка показала, что максимальное отклонение центра тяжести не превышает (Ot 1-0,15) К е. f где k t - высота приложения центра тяжести при горизонтальной поверхности.
Тогда значение интенсивности динамического давления по высоте стены можно определить из формулы (4.10) с учетом поправочного множителя (4.24) c=P[0- )Xf+\J(l+u9t»A) (4.26) При этом координата центра тяжести определяется по формуле (4.13) .
Анализ результатов измерений динамического давления на горизонтальную плиту при различных L показывает, что изменение величины этого давления происходит аналогично изменению силы давления Рс . Поэтому, с достаточной для инженерных расчетов точностью для определения значений интенсивности давления 0,tK , -результирующей силы Рек и координаты точки ее приложения .ы. W можно использовать формулы
Обобщая приведенные опыты при различных степенях водонасы-ценности, можно заключить, что наличие воды в грунте приводит к увеличению интенсивности и, соответственно, силы давления. Максимальное значение этих величин имело место при полном водо-насыщении грунта, при этом величина силы давления не была равна сумме гидродинамического давления и давления сухого песка. Подсчеты показали, что если в формулу для определения гидродинамического давления [69] поставить значение объемной массы водона-сыщенного грунта, то при податливых основаниях результаты расчета практически совпадают с экспериментальными данными. Это хорошо согласуется с представлением о том, что водонасыщенные грунты при динамических нагрузках переходят в текучее состояние и ведут себя как тяжелые жидкости. Для определения динамического давления грунта по мере его насыщения водой в условиях нескальных грунтов можно пользоваться графиком, приведенным на рис. 4.6. График построен делением величины динамического давления грунта при различных степенях насыщения его водой, на величину динамического давления сухой засыпки.
