Обеспечение сейсмостойкости земляного полотна и защитных сооружений железных дорог Абдужабаров, Абдухамит

Введение к работе

Актуальность. Практика аксплуатацик железных и автомобильных дорог в сейсмических районах свидетельствует о многочисленных разрушениях дорожных сооружений во время сильных и катастрофических землетрясений, что приводит к нарушениям хозяйственных связей и значительному материальному ущербу. В СНГ площади сейсмически активных районов составляют более - 20 всей территории, а в Средней Азии - 10056. Вместе с тем действующих нормативных документах регламентация обеспечения сейсмостойкости дорожных сооружений носит качественный, скорее декларативный характер.

Этими обстоятельствами обусловлена актуальность проведения исследований, направленных на совершенствование норм строительства и проектирования дорожных сооружений в сейсмических районах для обеспечения их эксплуатационной надёжности.

Актуальность работы подтверждается её выполнением в рамках: целевой научно-технической программы О.Ц.ОЗІ (Подпрограмма Р.55.Ц часть Щ. Задание 09: "Осуществить развитие методов расчета конструкций зданий и сооружений с целью экономии металла и других строительных материалов"), научно-технической программы по проблеме 0.74.03 "Разработать и внедрить в практику народного хозяйства методы оценки опасности и комплекс мероприятий для уменьшения ущерба от землетрясений, цунами и вулканических извержений", комплексной целевой программы по достижению мирового технического уровня в транспортном строительстве на 1988-1990 годы и на период 2000 года и проблеме "Стройпрогрвсс-200Ь", по разделу "Строительство транспортных сооружений".

Цель работы. Создание теоретических основ и практических методов расчета дорожных сооружений (земляного полотна, водопропускных труб, лавино?ащитных галерей и дорожных покрытий перронов) о учетом сейсмических воздействий и разработкой соответствующих конструктивных решений, обеспечивающих сейсмостойкость вновь строящихся и реконструируемых железных и автомобильных дорог..

Методика исследований заключается в следующем;

теоретическое обобщение результатов воздействия наиболее известии* землетрясений с 1925 г. на дорожные сооружения и современных методо» их расчета с учетом сейсмических воздействий;

проведение модельных и натурных экспериментов по определению сейсмостойкости и сил.действующих на сооружение.

- A -

выполнение теоретических исследований, основанных на современных достижениях в области математического моделирования го воздействию ударных нагрузок на несущие конструкции защитных сооружений;

совершенствование методов расчета и разработка новых модификаций конструкций дорожных сооружений.

Научная новизна работы заключается в:

уточнении.расчетной сейсмичности для проектирования земляного полотна в зависимости от его конструкций, грунтовых, гидрогеологических и топографических условий прохождения трассы дороги;

разработке метода расчета и проектирования сейсмически устойчивых откосов насыпей и выемки земляного полотна, учитывающего уровень сейсмичности, грунтовые условия, степень уплотнения грунтов, габаритные размеры иназначение сооружения;

разработке метода расчета водопропускных труб на сейсмические нагрузки, учитывающего взаимное влияние динамических парамет-. ров и геометрических размеров трубы и насыпи и их конструкции;

создании практического метода- расчета пространственной работы лавинозащитных галерей при сейсмических воздействиях;

разработке сейсмоустойчивых конструкций галерей, позволяющих сократить материалоёмкость и упростить технологию производства работ.

Практическаяценность состоит в уточнении и конкретизации, требований нормативных документов в части расчета и проектирования »лемектов дорожных сооружений в сейсмических районах (земляное полотно, водопропускные трубы, защитные галереи) и разработке Новых сейсмоустойчивых.конструкций указанных сооружений.

Реализация работы. Основные результаты исследований внедрены:

на Байкало-Амурской ж.д. магистрали (при обосновании необходимого объема антисейсмических мероприятий в конструкциях земт ляного полотна); '

на железных дорогах Фрукэе-Джалал-Абад, .Фрунзе-Рыбачье, на автодорогах Фрунзе-Ош, Ога-Хорог, Фрунзе-Рыбачье (при строительстве прогиволавинных галерей, противообвальных со^ужений, водопропускных труб);

на строительстве подзешмх и -специальных сооружений в рее- публике Кыргызстан;

при' разработке- ОНиП для сейсмических ршіонов;

- b -

Использование результатов исследований позволило повысить сейсмостойкость земляного полотна, верхнего строения путей, дорожной одежды перронов, водопропускных труб и сократить расход металла в конструкциях лавинозащитных галерей.

Апробация работы. Основные положения диссертационной, работы-докладывались: на У^-Международном симпозиуме по сейсмостойкому строительству (Индия, Рурки, 1973г.); на Всемирном конгрессе Генеральной ассамблеи (София, Болгария, 1988г.), на заседаниях комиссии по сейсмостойкости транспортных и других сетевых сооружений МСССС при Президиуме АН СССР, Ташкент, 1977г., Ашхабад 1978г., Тбилисси 1979г., Фрунзе 1980г., Алма-Ата 1988г., Фрунзе 1989г., Москва, 1991г., на И и ІУ Всесоюзных конференциях . "Динамика оснований фундаментов и подземных сооружений" (Ташкент, 1973,1977гг.), на Всесоюзном Совещании "Сейсмическая опасность и сейсмическое строительство района БАМ" (Иркутск, 1979г.).

Публикации. Результати исследований отражены-в 30 печатных работах, авторском свидетельстве и в семнадцати научно-технических отчетах, зарегистрированных в ВНТЙЦентре.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТ Ц;

ВВЕДШИЕ. В настоящее время благодаря научным трудам КС.Зав- . риева, МТ.Уразбаева, АГ.Назарова, ШГ.Напетваридзе, ИЛ.Корчіїнского, АП.Синицына, СВ.Полякова, ВА.Быховского, НАЛиколаенко, ВТ.Расска-зовского, ТР.Рашидова, ГН.Карцивадзе, ЯМ.Айзенберга, М.ЫоношиЗе, Н.Матсуо, Р.Бриске и многих других ученых нашей страны и зарубежных специалистов разработаны основы теории сейсмостойкости сооружений, методы их проектирования и строительства. Развитие теории сейсмостойкости базировалось на фундаментальных исследованиях как в области динамики, сооружений и грунтов {работы СП.Ти-мошенко, ДД.Баркака, ИМ.Рабиновича, АФ.Смириова, Щ.Гольденблата, ВГ.Коренева, НК.Снитко, ОА.Савинова, ВС.Сорокина, ВА.Ильичева и др.), так и в области инженерной сейсмологии (исследования ЕФ.Са-варенского, СВ.Медведева, ЮВ.Резниченко, БК.Карапятяна, АЭ.Шео'а-.лина, Б.Н.Павлова, ЙК.Хуана', Г.Ямада, ВД.Джоунса к др.).

На базе указанных исследований в нашей стране разработаны нормы проектирования гражданских, промышленных, транспортных и гидротехнических сооружений всейсмических районах.

Однако вопросы строительства и проектирования лавинозещитных галерей в сейсмических районах в-нормах вообще не рассмотрены, аземляному полотну, водопропускнім трубам в насыпях и подпорным

стенкам уделено лишь несколько пунктов декларативного характера, текст которых мало изменен с 1935г., с момента разработки первых рекомендаций по сейсмостойкому строительству.

При разработке теории сейсмостойкости инженерных сооружений и рекомендаций по их проектированию и строительству одним из основных источников информации служат результаты последствий землетрясений. Анализ последствий землетрясений позволяет установить типичные повреждения, выявить наиболее уязвимые участки полотна дорог и произвести их сравнительную оценку в" зависимости от конструктов ных особенностей в тесной связи с рельефом местности., грунтами и гидрогеологическими условиями строительства.

Автором был произведен подробный анализ состояния дорожных сооружений после воздействия на них известных землетрясений, прошедших за рубежом и в нашей стране: Красноводское ( 1895г.), Квантское (1923г.Япония), Фукуйское {1948г. Япония), Ашхабадское (1948г.), Аляскинское (1964г.), Гаэлийское (1976г.) Лениноканс-кое (1988г.) и др.

Анализ показал, что недостаточшй учет сейсмических сил при проектировании и строительстве земляного полотна железных и автомобильных дорог приводит к значительным потерям при землетрясениях, частичному или. полному выходу из експлуатацій дорожных сооружений, что осложняет спасательные, аварийные, эвакуационные и восстановительные работы в зоне стихийного! бедствия.

Анализ повреждений дорожных сооружений убеждает, что степень их разрушения зависит от инженерно-геологических характеристик местности, свойств грунтов, земляного полотна и оснований, особенностей конструкций сооружений, сейсмологической обстановки, качестве строительства дорог и др. При этом земляное полотно в выемках и нулевых местах, менее уязвимо при землетрясении, чем я насыпях; По мере увеличения высоты (глубины) земляного полотна степень разрушения его возрастает; увеличение крутизны косогора (при косогорном ходе) значительно снижает сейсмостойкость земляного полотна. В особо неблагоприятных сейсмических условиях находится земляное полотно при подтоплении или высоком уровне грунто-, вых вод; наиболее подвержено разрушениям земляное по/:тно в поймах рек с наносными грунтами, на болотистых участках и у подходов к мостам, на участках труб"'в насыпях. В горной местности для .дорог большую опасность при землетрясении представляют оползни, которые активизируются уже при 5'баллах.

- ?' -

Железобетонные водопропускные трубы обычно строят без учета воздействия сейсмических сил. При сейсмическом воздействии 6-7 баллов водопропускные трубы получают осадки, что з дальнейшем приводит к их заливанию, при 8 бальных землетрясениях трубы получают серьезные повреждения.

Лавинозащитные галереи, построенные в Киргизии и Таджикистане получали повреждения, начиная с 6-тк бальных землетрясений, так как в прсектак недостаточно учитывались антисейсмические- требования;

Проектируемые на дорогах СНГ подпорные стенки .отличается большой-массивностью, не обеспечивают сохранности земляного полотна при 8 баллах, а при 5-7 баллах получают повреждения.

Методы учета сейсмичности при расчетах устойчивости земляній сооружений отражены в работах: Завриева К.С, Ураабаева М.Т,, На-петваридза Ш.Г., а&слова Н.Н., Шахунянца Г.М., Ревазова М.А., Ризаеза Ш.Р., Бриске Р., Чугуєва P.p., Ijpioxepa В.О.. Анализ литературных источников показал, что кроме опециальных исследований профессора В.О.Цзюхера, проведенных в 1923г., при проектировании Турнсиба, експериментальних,комплексных исследования у нас и за рубежом, касающихся непосредственно земляного полотна, водопропускных труб, лавинозащитных'галерей и дорожных покрытий обнаружить не удалось. Имеющиеся теоретические и экспериментальные исследования больше отражают работу насыпных гидротехнических пдотин, не учитывают особенностей конструкций зелезных и автомобильных дорог, поэтому могут применяться с некоторыми ограничениями.

Выполненный анализ состояния дорожных сооружений после происшедших землетрясений и существующих методов их расчета также показал, что только на их основе невозможно разработать практические рекомендации по обеспечении сейсмостойкости дорожных со- . оружений, так как по этому вопросу в публикациях отсутствуют сведения о 'геологическом строении оснований, деформативных и прочностных свойствах грунтов и конструкциях сооружений, динамических нагрузках, колебаниях 'поверхности земли и оснований,

Для решения поставленной проблемы необходимо было провести специальные исследования, были критически проанализированы известные методы исслздроаний земляных сооружений на воздействия землетрясений, в том число модельные исследования насыпи-земляного полотна» проведенные цшохером В.О, при строительстве Тур-кастако-Сибирский магистрали, метод фрагментов института ВОДГЕО и др.

- a -

Автором разработана методика модельных и натурных експерименте» с дорожными сооружениями, в том числе с использованием сейсмоплатформы, центробежного моделирования и сейсмовэрыяного метода» Основное отличие принятой методики от существующих заключается с том, что исследование проводилось с моделированием исего сооружения в комплексе с укрепляющими и защитными устройствами. Антисейсмические мероприятия разрабатывались исходя из необходимости сохранения сооружения после землетрясения ВКЛЮЧАЯ верхнее строение пути или дорожной одежды, з состоянии пригодным для дальнейшей эксплуатации.

Изучение сейсмостойкости земляного полотна дороги осуществлялась на пространственной модели в поперечном направлении, как наиболее опасном для данного сооружения. В процессе исследований установили остаточные деформации земляного полотна и верхнего строения пути, влияние различных типов крепления откосов, конструкций сооружений, свойств грунтов, поперечного профиля дороги нв. общую и динамическую устойчивость, изменение сейсмического ускорения по высоте откосов.

Анализ фактических данных о состоянии сооружений после землетрясений показывает, что результаты воздействия,зависят как от интенсивности сейсмического воздействия, так и от инженерно-геологического, гидрогеологического и геоморфологического строения местности.

Для обеспечения сейсмостойкости земляного полотна железных дорог одной из мер является выбор участков со скальными и рыхлыми достаточно уплотненными, сухими основаниями.

Рациональным методом установления расчетной Оалльнбсти местности строительства железной дороги является метод аналогий, который заключается в сопоставлении грунтовых, рельефных и других условий с теми же условиями на участках для которых известны результаты ранее возникавших землетрясений. Экспериментальными исследованиями установлено влияние конструкций земляного полотна дорог, косогорности основания» свойств грунтов и уровня грунтовых зод на изменение её расчетной сейсмичности, что обосновано выделяет слабые в сейсмическом отношении участки дог,^и.

На основе результатовтеоретического обобщения воздействия землетрясений на дорожные соорукения разработаны рекомендации по предпочтительному располоиетш трассы и конструкции земляного

полотна дороги в зависимости от геологических и гидрогеологических условий и кссогорности местности.

В результате экспериментов получена формула для расчетов устойчивого в сейсмическом отношении заложения откосов насыпей, она имеет вид:

^т^^т^'ІГь^гг^'^іг'^й(1'^и"^]'' ⁽¹⁾

ДО„- коэффициент залоі.екия откоса земляного полотна при ке-сейсмических районах Ш= 1,5);

К' - ко»ффициент относительного уплотнения грунта насыпи (в долях от стандартного);

В_а - ширина земляного полсти* по верху насыпи, м ;

J] - коэффициент, зависящий от сейсмичности участка трассы дороги (СНиП П-7,81)-;

W, - коаффициент, учитывающий допускаемые повреждения дорог (т&б. 3 СНиП П-7,81) для автомобильных дорог - ^=0,12, для железных дорог - К',= 0і25;

И - высота насыпи земляного полотна, м ;

"f, - коэффициент динамической характеристики грунта земляного полотна по результатам гкепериментов: глина УІ «=12; суглинки ^=20; супесь ^=30; гравий,щебень"=40; песок крупный ^=50; песок средний¹/: =60; пески мелкие (бархамше)

Для расчетов крутизны откосов выемки получена следующая формула:

L+ffl.b \]~ глубин* выемки, м;

I - иирина активной зоны грунта откоса, для песчаных грунтов /,= 2 ; длп связных грунтов/= 3 ;

Остальные обозначения азяты из формулы (I). Сравнзкне результатов-расчета по формулам (I) и (2) с другими методами дано на рис. I и 2,

Из сопоставительных расчетов сейсмичности устойчизых отко-гов насыпей следует, что полученные по фор гуле (1) заложения откосов наиболее близки к наиболее теоретически обоснованными результатами , полученными согласно динамической спектральной теорий эвэработянной КС.З&вриевым, МТ.Уразбаевым и ШГ.Нвпетваридзо.

Рис. I. Результаты расчетов пологости откособ кзсыпи по различным методам

с учетом сейсмических сил. . .1 - Из условия возмокности послойного оползания (Ш.Г.Напетварядзё); 2 - Формула ( I }; , 3 - Чугаев, Саогидропроект;

1. - Шахункнц, Маслов;

2. - Мононобе, ВЕШГ (1941); '

3. - Ортотокойская плотина;

4. - Цнохер;

5. - СНиД; .

6. - Для несейскических районов;

Грунт - песок, if= 35, -К = 10,0 м, В = 10,1 м.

Ркс2.. Результаты расчетов пологости откосов выемки. Грунт - песок, ер = 35, Н = 10 м.

і'

Расчет по полученной зависимости (2) для выемок показывает их общую более высокую сейсмическую устойчивость но сравнению с откосами насыпей при тех же исходных предпосылках. Наиболее близкие результаты при этом получаются с расчетами по формулам НН.Мас-лова и ГМ.Шахунянц*.

Подтопленные насыпи земляного полотна дорог (хотя они проектируются сравнительно редко) при землетрясениях разрушаются настолько сильно, что слабые землетрясения (6-7 баллов) могут приводить вти участки в полну» непригодность для дальнейшей эксплуатации. Подтопляемые насыпи следует отсыпать из щебня или гравия на малосжимаемы* грунтовых основаниях. При отсутствии таких грунтов рекомендуется конструкция в виде присыпки из щебня (гравия) по откосу или армирование грунтов.

Также чувствительны к взрывам и к землетрясениям насыпи земляного полотна проходяїдие через болота, при пересечении пойм с наносными грунтами. Чтобы сохранить насыпь земляного полотна сооружаемого на болотах І-П типл необходимо проектировать её с полны» удалением торфа при сейсмичности 6 баллов и более, а для болот Ш типа конструкция насыпи подобна насыпи п условиях подтопления.

Резко сократить объемы земляных - работ за счет сокращения пологости откосов насыпи, без уаіерба ссйсмоустойчивоетк, позво-, ляет армирование грунтов. Как показывввт эксперименты наиболее приемлемым в сейсмическом районе является армирование геотексти-цсы, т.к. оно обеспечивает, по сравнению с металлической арматурой (часто применяемой за Рубеком), большую сейсмоустойчивость насыпи (практически не снижается сцепление арматуры с грунтом" при вибрвции), являясь при »том более дешёвым, долговечны* и менее дефицитным. Рациональная схема армирования насыпи дана на рис. 3 а,б, вариантах с.шагом армироввнуя h = 1,0м; h * 0,5 и h = 0,3 м для 7,8,9 бальной расчетной сейсмичности, для песчаных и для связных грунтов.

Разновидность» армирования является укладкв ґрунтобетонних слое» толщиной 10-15 см, через каждый ветр для песчаных грунтов и 1,5 - 2,0 м для связных'грунтов. Зто конструктивное мероприятие позволяет сократить расчетную величину наложения откпм насыпи (формула Ш) на 0,5. Таксе ко'нструктивнр-технолэгическое решение эффективно только в неагрессивных грунтог-нх средах, в противном случае прочность грунтобетоітого слоя s течение времени эксплуатации падает. Оптимальная смесьґрунтобетонного слоя должна со-

- ІЗ -

Рис- 3. Схема армирования нчсыпей в несвязных (а) и связных (б) грунтах:

І - армирующие полотнища; 2 - наиболее опасные потенциальные поверхности обрушения иеарыирован-ной насыпи (h - шаг армирования).

Рис 4. Конструкция насыпк земляного полотна на скальном основании с сейсмокзолирующей прокладкой: -

1. - сейсмоизолируиций слой грунта;

2. - гр>'нт насыпи.

держать 5*10? цемента от массы грунта в зависимости от прочности укрепляемого грунта.

Земляное полотно в скальных грунтах получает повреждения и разрушения в основном от внешнего воздействия: оползни, осыпи, скальные вывалы и др. Вторая причина повреждения насыпей расположенных на скальных грунтах, заключается в большей разнице динамической жесткости (модуль сдвига и скорость распространения поперечных волн) грунта насыпи и скального грунта основания, что в результате может привести к сильным разрушениям земляного полотна. Для такого участка строящейся дороги целесообразно пре- . дусмотреть сейсмоизоляционный слой грунта - рис. 4, для этого на скальном основании отсыпается слой грунта, динамические свойства которого должны быть по величине промежуточные между грунтами основания и насыпи земляного полотна. Как показали результаты экспериментов, такой сейсмоизолирущий слой способен уменьшить еффект сейсмического воздействия на один балл, что достигается без увеличения объема земляных работ,. Подобная сейсмоизоля-ционнал конструкция дает существенное снижение сейсмической нагрузки на насыпь земляного полотна, если динамическая жесткость основания превышает етот параметр грунта земляного полотна не менее чем 1,5*2 раза.

Для земляного полотна проходящего по скальному косогорному участку следует применять такие зшцитные сооружения от камнепада, как армированные грунтовые подпорные стенки, которые обладают высокой сейсмостойкостью, имеют податливую конструкцию и достаточно низкую стоимость, легко поддаются восстаногленйю.

Недорогим технически несложным является разработанный и опробованный на железных дорогах Фрунзе-Рыбачье, Фруизе-Джалал-Абвд и автодороге Фрунзе-0ш, способ укрепления скальных откосов сетками иэ стеклоткани или капрона. Подобная конструкция успешно применяется за рубежом* но разработанная нами конструкция полнее учитывает особенности воздействия сейсмических сил.

Для укрепления косогорных участкор насыпи земляного полотна разработана также конструкция сооружения с. применением железобетонных свай, что проще и дешевле возведения подпорных стен (см. рис. 5.) Рассотяниз между сваями рассчитывается по ф, муле:

/ - tOWnf і. .

По 1-І

8. -+

-\—v

^—ч

/.

) ^

_V-

_Z с

=3-

/~А

г

ф-

Рис.'5. Конструкция укрепления пасши земляного полотна 'с косогордам основанием.

А - зона первоначальной отсыпки земляного полотна. Б - зона досыпки земляного полотна после забивки свай. В - зона возможных обрушений при землетрясении. Г - уплотненная зона. 1-І плоскость забивки соай.

где fl?_K- ко»$фициент заложения косогора, на котором будет построена насыпь земляного полотна, при /И_к>10. применяется при расчетах П; = 10»

jj - высота насыпи земляного полотна, м;

р - площадь боковой поверхности .железобетонной сваи, м ;

\].- длина сваи, м;

Л - угол забиіки ьваи, меняется > пределах О⁰*- 30.

Остальные обознаяения при «едены в формуле (I) и на рис. 5, Технологически способ укрплеНия насыпа земляного полотна на естественном земляном -массиве с косогорным основанием заключается в отсыпке грунта - часть А (рис. 5). Уровень отсыпки части - А соответствует уровню головки сваи, которая забивается по линии бровки отсыпной части насыпи. Затем забиваются железобетонные сваи вертикально или под углом.- в зависимости от выбранной схемы варивдта и соответствующего расчета (формула 3). Верхнюю часть насыпи Б отсыпают по обычной технологии, на укрепленное основание 1-І.

Величин* угла при проектировании принята в пределах от 0 до 30, учитывая, что при вертиквльных сваях і d, * 0) необходимо их забивать чаще, а с увеличением угла - d расстояние между сваями увеличивается, что видно из..формулы (3)_t наклонные свей лучше удерживают призму обрушения откосной части насыпи.

При сейсмическом воздействии возможно обрушение призмы - В. Усилия по удержанию основной части насыпи распространяется на железобетонные сваи, уплотненный грунт вокруг свай и арочную призму - Г, Такая конструкция укрепления позволяет сократить объем земляных работ, т.к. низовой откос достаточно отекг.ат» с крутизной 1:1, что значительно сокращает в условиях косогорного основания объем грунта в насыпи и уменьшает инерционные сдвигающие силы при землетрясении. Преимущества формулы (3) и рекомендуемого метода укрепления насыпи состоит как в незначительных расходах при восстановлении дороги после землетрясения, что заключается лишь > досыпке призмы - В, ток и * возможности определять целесообразность строительства подпорных стен. Если расстояние между сваями по расчету (формула 3) получается меньше 3d, где о/-размер сечения сваи, то необходимо проектировать под г;пныо стенки. Сечение сваи - с/принимается » пределах (20-30 см) в зависимости от длины сваи -г /?,. учитывал соотношение т- d~ 1/Q'fi*

При реконструкции дорог с уширением земляного полоти* традиционный метод рыхления откоса со стороны присыпки, яри земле-тргсении не.дает нужного аффект* монолитности земляного полотна. Поэтому'значительные деформации разрыва в виде огромных продольных трещин выводят дороги из иормалыгой эксплуатации. Целесообразнее нвреэать канавки треугольного очертания глубиной 20+30 см с последующим заполнением и созданием:слоя толщиной 0,5-0,7 м из щебня и гравия. Расстояние между канавками по откосу присыпки - 1,0 м, при втом между канавками следует сохранить грунт нена- . рушенный структуры с сущеегвукхцим растительным слоем.

Учитывал результаты исследований, что узлы сопряжения земляного полотна насыпи с мостами' имеют меньшую динамическую жесткость по сравнению с.насыпями достаточно удаленными от мостов (20+30 м), коэффициент заложения откосов Насипи на этом протяжении участка дороги,и самого откос* конуса (если не предусмотрено укрепление плитами по проекту) должен быть увеличен на 0,25 по сравнению с расчетной величиной (формула (I)).

Чтобы избежать искревления рельсов при землетрясении необходимо а верхнем строении железных дорог. баллаеныЯ слой из .щебня или гравия отсыпать с откосами 1:1,75? 1:2,0 1:2,25; для 7, 8 и 9 бальной расчетной сейсмичности соответственно. Кроме того плечо балласной призмы следует увеличить на 20 см; 30 см; 50 ои в соответствии с 7, 8 и 9 бальной сейсмичностью. Увеличение пологости и ширины плеча балдаеной призмы приводит к соответствующему увеличению ширины земляного полотна, что дополнительно повышает сопротивляемость полотна железной дороги сейсмическим силам.

Динамическая жесткость насыпи земляного полотна в основном характеризуется величиной периода свободных колебаний, которые предлагается определить по формуле, полученной экспериментально

т, - Jn-J-m/y.ti. (4)

Т, - период основных свободных колебаний насыпи земляного полотна (сек); Н₍5.~ высота и шириня нье'ыпи земляного полотна,, м;

П1 - коэффициент, учитывающий условия работы насыпи земляного полотна, для пасшей удаленных (на 20^+ЗОм) от мостов/7/ « 1,0; для сопряжений ньсыией с висячими мостами -ЛТ= 1,5; с жєлґзо-

бетонными мостами -/)1= 1,3; о металлическими мостами --/)1= 1.4; d- коэффициент учитывающий связность, для песчаных и щебеночных грунтов,^- 0,1; для глинистых и супесчаных грунтов ,^ =0,08. Период.основных свободных колебаний насыпи земляного полотна дороги возможно определить по формула (45 или натурными яксперимен-тами. с помощью сейсмометрических приборе» и источиикл возбуждения колебания (по предлагаемой методике - падающий груз или промышленные взрывы). Определив период свободных колебаний насыпи земляного полотна возможно, используя формулу профессора ШГ.Напет-варидэе, определить оредний объемный вес грунт* насши, что очень важно при строительстве дорог. Этот метод определения объемного веса грунта насыпи весьма удобен для строителей, для быстрого и дешевого, и'без взятия проб метода пронежугочного контроля объемного веса грунта' насыпи аемлямогс полотна от величины которого существенно зависит сейсмостойкость всего полотна.

Предлагаемые рекомендации и конструктивные решения предназначены для проектировалил и строительства с учетом сейсмических сил при возведении земляного полотна нелмных и автомобильных дорог в г.орной и равнинной местности с исходной сейсмичностью 6-9 баллов и могут служить дополнением к нормам "Строительство в сейсмических районах", СНиЛ П-7-8І, разделы "Трассирование дорог, земляное полотно и верхнее строение пути". При этом конструктивные решения и расчетные формулы не исключает при землетрясении воеможности возникновения остаточных деформаций (слабые трещины земляного полотна; незначительные перемещения грунта откоса* земляного полотка и др.) - не вызывающие разрушения верхнего строения пути, рельсов или проезжей чжсти дорог и не выводящие их из состояния допускающего дальнейшую нормальную эксплуатацию этих основных-и дорогостоящих элементов дорог.

По результатам экспериментальных и теоретических исследований установлено, что сейсмостойкость труб в насыпи существенно зависит от динамических параметров земляного полотна, а наличие труб в свею очередь сникает сейсмическую устойчивость земляного полотна дорог. Это объясняет картину наибольших разрушений дорог в зоне расположения труб в насыпи. Однако, до настоя-.*го времени в конструкции.этих часто встречающихся инженерных сооружений, антисейсмические мероприятия отражения не нашли, а существующие методы расчет* величины*напряжения и смещения тела труб в грунте

не могут объяснить причину их повреждений и разрушений. Следует отметить, что труби « иасыпн имеют ряд особенностей по условий работы при действии сейсмических сил, vro не дает возможности при расчете их отождествлять с трубами уложенными » траншеи и находящиеся а основном, ниже днеаной поверхности земли и имещие часто большую протчжениость в плане.

При расчете водопропусюткх труб * насыпи земляного полотна нами использован известный метод расчета сооружений на действие» сейсмических сил по закону аксалорограмм (сейсмограмм). Анализ сейсмограмм показал, что ч качестве упрощенной математической ннтерппятацп? перемедения почаы при землетрясении может быть принят закон суммарного действия ряда эатухам"их гармонических кривых по типу: ,,

где it',- перемещение почвы;

JL„ - амплитуда вынужденных -колебаний*

2г„ - коэффициент затухания колебаний грунта поверхности земли;

X - координата рассматриваемой точки;

t - время;

СО - частота вынужденных кг.ле'баний;

дх +-2_Р -0 ) ₍₆₎ .

где д- матрица податливости;

X - вектор неизвестных усилий; А_р~ вектор грузовых членов.'¹

A - A

Z A iH сеч

б) Xt Xr, X"

Л^ХІ+Ї

n-n

- 2L a=*

^XI ^X2

4-ir

_*Ф

xtt'

Рис. б. Расчетная динамическая модель трубы и насыпи с неизвестными типа поперечных- сил.

СеПсмическзе воздействие

157 кН

Рис.7. Усилие, действующее на теле- трубы-в насыпи при 9 баллах расчетной сейсмичности.

— результаты теоретических расчетов;

результаты эксперимента.

Единичные перемещения определяете* решение» Горбуноаа--Посадоаа М.П. для жестких плит, на которие р*эбито тело труби, Для того, нтобы отдельная плит» была жесткой, необходимо удовлетворить услоаие:

_{^- V^zfef <}⁷⁾

где. /?;,_ч-_л~ число плит на которое разбито тело трубы;

И ...-і, - толщин» трубы и другие обозначения на рис. б. F.r і ; ~ ^М0АУ*^Ь деформаций грунт* и шатериала трубы; 'Л-' \К ~ Коэффициент поперечного расширения грунт» и материала' трубы- соотаетстіенио.

Улементы матрицы податливости определены по формулам:

cf.- /- ^r (4iL_Jl ik. _''^/? ) '

. ^g "" а: г l / " 2 VZT*/'

при этом следует учитывать взаимное влияние неизвестных сил (например, J_M=0, т.к. перемещение от X? І по направлению- X раит нулю).

Элементы вектора A_f, определяются по формуле:

Относительно перемещения, - участка можно определить по

(^c_cnp-t - у-sinuilj+PiSin-^p (costAtt-cespd);

где i?_n^ коэффициент постели 6 учлетка,

/71,_: - масса L участка. .

В качестве примера по этой методике расчета определены поперечные силы s сечениях железобетонной труби, проходящей в. насыпи эемлянога полотне дороги при следующих исходных данных:

6 -' 0,5 п) h = f, Он; Е'г. = 10.000 ЯН/п*-; . _f - 3-Ю ty/fli*

?r. = o,z г с_р --300 ц/с 'ск.; j> ~-М ни ''и*-, й.еч ^ 0,1 it;

і результате получены усилия а сечении труб {рис. *7),

Анализируя предложенный метод расчета водопропускних труб мокно отиетить, что чем больше отличаются частоты собственных колебаний - P_t-смежных участкої, тем больше усилие месте сопряжения втих участков. Концентрация усилий сосредоточен* в сечении, которое находится ни расстоянии равной Ц /п, - на стике оголовка с трубой. Для уменьшения усилия в месте опасной концентрации предлагается устройство податливого стыка ка фторопластовой пластины наклееиой по отдельным точкам контура трубы. При это** коэффициент податливости мокно рассчитать по формуле:

и - ШлИ IJlsLJ'JL Е.сП)Х:_ -л,- / , ,

л_Л--_ . _r { tifi" 'Г"і "Зг* ' ^{Ы!

где Х^""^" наибольшее значение уемлия в системе с податливым стыком; л; - наибольшее значение в системе с жестким стыком. Графики для определения коэффициентов)^„к К\в зависимости, от ,1- а/6 даны на рис. fi.

На рис. 9 показаны зависимости

При одном и том же значении коэффициента податливости уменьшить усилив к теле трубы при сейсмическом воздействии возможно за счет уплотнения грунтов вокруг трубы или заменой грунтов на более прочные грунты, что объясняет рис. 9. Следовательно, при строительстве водопропускных труб необходимо уплотнение грунта вокруг труб и особенно;'вокруг оголовка трубы производить с особой тщательностью, для получения плотного равномерного уплотнения по высоте -насыпи.

Выявлено влияние конструкции труб на их сейсмостойкость, более сейсмоустойчившя являются круглые нежели прямоугольные. Составлен график распределения напряжений по контуру трубы, что позволяет обосновано сократить расход металлической арматуры на I5+203S. Даны рекомендации по применению армогруита в основании труб для повышения их сейсмоустойчивости на слабых грунт.ах.

Определена "активная зона" насыпи земляного полотна в пределах которой установлено отрицательное влияние, водопропусконой трубы на устойчивость насыпи, её длина определяется по формуле (рис. Юа)-.

0,84

0,82

0,80

. 0 12 3.4 об

Рис. В. Графики для определения коэффициентов К₀ и Kj

- НА - .

\ А

1 \ '

: 1 _;—і : l.

Ю 20

40 К_д(І0⁴ м/кїі)

ві і m

= 4 -IoVkH

К^Твіб⁴ *^^кН

0 1000 Р.ООО 3000 4000 Е,;І0 кН/м²

Рис. 9. а)-график зависимо коэффициента m от коффициета податливости K_Q;'

б)- размеры упругой прокладки- стыка трубы с оголовком; в) - график зависимости коэффициента m от модуля деформации грунта Е„-.

- 2b -

L_aKr^к (tod Jії<+гцсЦл.) ; (із?

где/а»-_г - длина активной зоны {вдоль бровки насыпи с симметричным расположением относительно оси трубы); Я, - конструктивный коэффициент, равный для прямоугольных труб - 1,1, а для круглых - 1,0; а - диаметр или ширина трубы (для прямоугольного сечения); J} - коэффициент, значения которого следует принимать равным 0,1; 0,2 и 0,4 соответственно для расчетной сейсмичности 7,8 и 9 баллов; (СНиП - 7.81); Й, - коэффициент, принимаемый для транспортных сооружений

равным 0,25; (СНиП І1-7-8І, Табл. 3); Л. - угол- между плоскостью основания и плоскость» границы "активной зоны" и "пассивной зоны" сЛ *45 - для песчаных грунтов, а для связных грунтов , - Л * 60. В глубоких коньонах, когда протяженность насыпи у водопропускных тгуб невелика и сема она упирается в борта русла, длина активной зоны сокращается и определяется по формуле (рис. 106).

/ =, / ' (i--A ) 1Ш-

ая г

где } _н -длина насыпи поверху п коньоіге;

/ - длина активной зоны без учета влияния коньона, опре-

"*^гт доляетсл по формуло (ІЗ).

Наиболее экономически оправданным методом укрепления активной зоны насыпи у труб является армирование і рунта, что позволяет вместе с тем придать откосам насыпи большую крутизну, что сократит длину труб - рис. II а,б.

4. СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ ЛАШН03ЛІ#ГОІШС ГАЛЕРЕЙ.

Лпвяноэацитнце галереи чеобходимы для бесперебойного и безопасного двиления транспорта в горной местности и относятся к инженерным сооружениям, для которых параметри жесткости по различным направлениям во много раз больше, чем у основания. В этих случаях движение системы при динамических воздействиях определяется деформациями основания и такие сооружения можно моделировать системой недеформируемых тел, а грунтовые основания - распределенными упругими связями. Расчетная модель при этом учитывает сов- . местную работу сооружения с грунтовым основанием.

a)

)

Рис.ІО. Определение длины активной зош трубы.

'/AV/AVMVjl; уцФД *—

WWMWAVfiWKWAX) 'ЛУЛ> J/A'

Рис.На.Армирование грунтовой подушки трубы стеклотканью. I - стеклоткань; 2 - гравий или щебень с ггеском.

3 (бал)

Рис.Г16.Минимальная толщина подушки в основании железобетонной трубы.

3. - без армирования грунтовой подушки;

4. - армирование стеклотканью грунта подушки.

Для определения, матрицы жесткости, снпчала рассмотрено пространственное колебание галереи, которое моделируется одномасссвой системой на упругом основании. Для грунтового основания принята гипотеза о линейной зависимости между реакцией и деформацией, при этом не учитывается его инерционность (Винкяеровское основание). Задача рассматривается на примере пространственных колебаний галереи при сейсмическом воздействии. Используя полученную матрицу жесткости галереи решена задача по определению динамических параметров и режима свободных и вынужденных колебаний. Получены главные формы колебаний галерей, а также ускорения, инерционные нагрузки и перемещения по всем формам колебаний. Первые три главные формы колебаний расположены п спектре частот 50f 60 сек" , , а остальные - в диапозонс- 100-5- 135 сек" . В высших формах простррлственных колебали** в основном преобладают поступательные движения. Максимумы поступательных перемещений системы палучаются по 2-й форме, а углов вращения - по первой форме..,-Все компоненты векторов инерционных сил имеют практически одинаковый порядок. По первой форме более опасным является вектор сейсмических моментов. По второй и третьей формам колебаний параметры движения точек расчетнодннамической модели от пространственного -поступательного и вращательного движений соизмеримы. С помощью принятой расчетнодинал'ической модели стало возможным исследовать и оценить вопросы устойчивости верхней и нижней подпорных стен лавинозтцитных галерей, а также влияние связей их между собой (через покрытие) при сейсмических воздействиях, что не учитывается при современных расчетах. Анализ работы и натурные эксперименты на построенных и строящихся, лавинозащитных галереях Кыргыс-тайа и Таджикистана позволили выявить неточности расчета как от статистических, так и от динамических нагрузок, - выражавшиеся в не учете пространственной работы псего сооружения,^; что приводило к перерасходу металла арматуры до 20!?. Была разработана и внедрена в практику строительства конструкции арматурного каркаса главной балки с заменой арматуры / 32 на /J Ш, что дает економшо металла на 18%.

Для решения теоретической части задачи использован конечно-элементный метод в перемещениях. В расчетах применялись два пакета программ - "Лира", рпз'работанные "в НИИСС Госстроя УССР и- Проблемой ШЛСС Фрунзенского политехнического института.

Анализ динамической жесткости лавинозащитньк галерей показывает, что установленные раскосные железобетонные колонны не только экономичны по расходу материала, но и позволяют увеличить пространственную жесткость сооружения (на 25*303») по сравнению с вертикальными колоннами, что играет существенную роль при обеспечении сейсмостойкости галерей. В конструкциях всех исследованных галерей в покрытиях применены тавровые железобетонные балки. При сейсмическом воздействии из-за значительной разницы плотностей железобетонной балки и грунта засыпки возникают различные инерционные силы, т.е. нарушается совместность работы конструкции и грунта засыпки. Кроме того слабая связь покрытия галереи с грунтом засыпки, т.к. в зоне контакта с грунтом покрытие плоское. Чтобы лучие использовать прочностные свойства железобетона, покрытие галереи должно .работать преимущественно на сжатие и иметь надежное сцепление с грунтом засыпки. Этим условием лучше удовлет- воряют железобетонные оболочки, имеющие меньший собственный вес ' и большув пространственную жесткость при сейсмическом воздействии. Железобетонные оболочки предпочтительны и по техническим соображениям, т.к. отпадает необходимость/сваривать арматуру соседних плит и заливать .бетоном. Бетонные оболочки целесообразно располагать в поперечном направлении относительно трассы дороги, т.к. распор компенсируется соседними оболочками и только распор крайних оболочек необходимо учесть при расчете начальных колонн. На рис. 12 изображена схема'конструкции сейсмоизолирущего узла соединения оболочки с бортовым элементом. При таком конструктивном решении горизонтальный распор оболочки от сеЯеяического воздействия (удара лавины или камня) - Р_го/3 снижается за счет усилий ча преодоление смятие грунта между опорами оболочек - Р_л , сжатия резиновой прокладки - Р_л , составляющую сейсмического (удара лавины или камня) активного давления грунта - Р_ас ; трения между опорной частью железобетонной оболочки и фторопластовой пластины .-.Р₉: . " -.

Гее г — Prvp ~ Ря. ~ Pi ~

(15)

Технология производства работ по осуществлению этой конструкции проста. На опорную верхнюю плоскость бортового елемента по всей длине укладывается прослойка из.синтетического материала, обладающего малым, трением, например пластина фторопласта толщиной 3 им. Фторопласт ( F - 4) применен по следующим ^:физическим и ме-

Фторопласт 5-4 =3*4 кмм Бортовой элемент

Резиновая прокладка

Рис. 12.СеЙсмоизолирущий узел соединения оболочки с бортовым алементои галереи.

Контур оболочки при ударз лавины или сейсмическом воздействии.

—;— Контур ободочки при статической нагрузке от грунта.

- зо

ханическим свойствам: високий предел прочности на сжатие (І2,0Ша) и растяжение (14,0+25 МЛЛ); практически не поглащает влагу, что необхсдимо для нормальной работы узла; високая температура плавления (327) при низкой температуре стекловшіив (-120) козіЗфициент трутш іь бетону равен / = 0,066-0,1.

Расчеты и експерименти показали, что применение разработанного узла привело к снижению напряжений в оболочке на 17-19$, что позволяет сократить расход арматури и повисит сейсмостойкость галереи. При этом обеспечивается гидроизоляция галереи, что очень существенно, так как пішт эксплуатации многих галерей показывает, что эти дорогостоящ»¹⁰ инженерные оооружения сильно поврендшется от плохой гидроизоляции, а просачивание грунтовой воды, которая является непременным спутником лавинозащитных галерей, не только ухудаает эксплуатационные качества сооружений, но и ведет к их быстрому разрушению.

5. СЕЙСМОСТОШЮСТЬ Д0РОЕНС2 ОДЩЫ ПОСАДОВИХ ПЛОЩАДОК (ПЕРРОК0В), ПРМЕОКЗАЛЫШХ ШЮЦАДШ И ПОДЪЕЗД ИХ АВТОМОБИЛЬНЫХ'ДОРОГ.

Предложены теоретические методы учета сейсмических сил бе
тонных и асфальтобетонных покритий посадочных площадок и привок
зальных площадей. При этом в первом методе использована динами
ческая теория расчета подземных сооружений, разработанная акаде
миком АН УзССР Г'ашидйвш, по которой можно рассчитывать смещение
и напряжение в плитах к покрытиях. Во втором методе расчета ис
пользован полузмперический подход позволяющий вычислить напряже
ния с плите при сейсмическом воздействии, а в отличие от первого
метода не требует применения &Щ и отличается простотой исполь
зования при удовлетворительной точности расчета. В конечном виде
формула имеет вид:

где \\/ - расчетное сейсмическое ускорение, см/сек**;'

Т - период колебании почвы, сек.; ¹ En ,Ег ~ ^М0ДУ^ЛЬ упругости бетонной плиты и грунта основания; F, ₍р_г - плоиздь поперечного сечения' плиты и грунта основания; »а - рбъемный вес приведенной среды - "плита-грунт"

7Г ~ J2kjtsL?Jl- j ~ с /с '

^ґ ~ /+Л—' "" ^г < >

- ЗІ -

а)

б кіі/м'"

Т = 0,5

0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 К_х

б)

І0"^! t-кНЛі"

40 .

без армирования с армированием

Рис.ІЗ. Величины напряжений в дорожном покрытии:

а) по иерпому методу рдсчета;

б) по гіторому методу расчета-.

где (Г » Уг ~ объемный вес бетонной плиты и грунта основания;

^ - коэффициент, зависящий от соотношения толщины плиты { hr, ) и толщины массы грунта, участвующего в совместных колебаниях при сейсмическом воздействии: d--=hc/h_n) h_r = /і. '>!'/'/-= j К: h,-- j- ho при 7,8 и 9 балльной расчетной сейсмичности ( Л.-толщина песчаного основания дорожного покрытия) Іч'^- коэффициент зависящий от армирования песчаного основания стеклотканью и равенк.' = 0,?, если без армирования -к'_ч=1»й-Величины напряжений в дорожном покрытии от сейсмического воздействия в 9 баллов даны на рис. 13а- по первому методу и по второму методу на рис, 136. Из графиков видно, что напряжение в покрытии находится в прямой зависимости от периода колебаний почвы.