книги из ГПНТБ / Морозов, В. А. Регулярные методы решения некорректно поставленных задач-1

Г. И. КАРЦИВАДЗЕ

СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ

ДОРОЖНЫХ

ИСКУССТВЕННЫХ

СООРУЖЕНИЙ

М О С К В А « Т Р А Н С П О Р Т » 1 9 7 4

У Д К 625.74.624.042.7

ЧИТАЛЬНОГО S A P A j

Щ. р з /о ? 7

Сейсмостойкость дорожных искусственных сооруже­ ний. К а р ц и в а д з е Г. Н. Пзд-во «Транспорт», 1974,

стр. 1—264.

Книга посвящена проблеме сейсмостойкости дорож­ ных искусственных сооружений. В ней рассмотрены во­ просы проектирования и расчета мостов, тоннелей, труб

иподпорных стен, возводимых в сейсмических районах.

Вкниге приведены общие сведения о землетрясениях, данные о повреждениях искусственных сооружений во время сильных землетрясений. Обобщен опыт проектиро­ вания сейсмостойких искусственных сооружений, изло­ жены результаты теоретических и экспериментальных исследований в этой области. Основное внимание уделено практическим вопросам проектирования п расчета искус­ ственных сооружений с учетом сейсмических воздействий. Обоснована методика определения сейсмических нагру­ зок, даны рекомендации по проектированию и расчету, увязанные с указаниями СНиПа. Приведены числовые примеры расчета мостов на сейсмические воздействия.

Книга рассчитана на инженеров-проектнровщпков и

строителей, работающих в области сейсмостойкого до­ рожного строительства, и .может быть полезна научным работникам и студентам вузов.

Табл. 33, рис. 131, бнбл. 209.

31801-062

62-74

049(01)-74

© Издательство «Транспорт», 1974 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

В нашей стране ведется большая научная и практическая рабо­ та в области сейсмостойкого строительства. В широких масштабах выполняются теоретические и экспериментальные (натурные и

разрабатываются новые эффективные конструкции сейсмостойких зданий и сооружений. Первоочередной задачей исследований и проектных разработок является обеспечение сейсмостойкости наи­ более массовых объектов строительства — гражданских и промыш­ ленных зданий.

Гидротехническим, дорожным и другим специальным сооруже­ ниям до последнего времени уделялось сравнительно мало внима­ ния. В частности, не вполне удовлетворительно в настоящее время состояние сейсмостойкого дорожного строительства: в этой области мало проводится исследований, пока еще неполны и недостаточно обоснованы проектные рекомендации, методы расчета и указания норм проектирования, крайне бедна техническая литература по сейсмостойкости дорожных сооружений.

Автор делает попытку в некоторой мере восполнить указанный пробел. В книге освещены современное состояние проблемы сей­ смостойкости дорожных искусственных сооружений и основные направления исследований в этой области, обобщен отечественный и зарубежный опыт проектирования, изложены практические реко­ мендации по проектированию и расчету искусственных сооружений в сейсмических районах.

Книга написана в основном по материалам исследований, про­ водимых с 1954 г. на кафедре мостов и железобетонных конструк­ ций Грузинского политехнического института имени В. И. Ленина. Использованы также материалы Всесоюзного научно-исследова­ тельского института транспортного строительства, Днепропетров­ ского института инженеров железнодорожного транспорта, Инсти­ тута строительной механики и сейсмостойкости Академии наук Грузинской ССР, Тбилисского филиала Союздорпроекта и рядадругих исследовательских и проектных организаций.

3

центра земли на ее поверхность называется эпицентром, или эпицентральной областью.

Очаги обычно имеют вытянутую вдоль разломов форму. Их размеры возрастают с силой землетрясения и изменяются в преде­ лах от нескольких метров до десятков километров. При разруши­ тельных землетрясениях очаги в большинстве случаев располага­ ются в толще земной коры, на глубине 10—50 км от ее поверхности. Некоторые землетрясения, называемые мелкофокусными, характе­ ризуются меньшей глубиной очага (Агадир, Марокко, 1960 г., глу­ бина очага около 3 км\ Ташкент, 1966 г., глубина очага 8 км). С другой стороны, в ряде случаев зарегистрированы значительные глубины очага — до 600—700 км (глубокофокусные землетрясе­ ния). Такие очаги расположены ниже земной коры, в верхней ман­ тии Земли, и механизм их возникновения нс вполне ясен.

Колебания, порожденные в очаге, переносятся на поверхность Земли сейсмическими волнами. Различают несколько видов сейсми­ ческих волн. Глубинные волны распространяются непосредственно нз очага и носят объемный характер. В земной коре, как твердой среде, возникают два типа глубинных волн: продольные (волны сжатия-растяжения) с колебанием частиц среды вдоль луча (на­ правления распространения) волны и поперечные (волны сдвига) с колебаниями частиц поперек луча. Поверхностные волны (волны Рэлея, Лява) возникают в поверхностном слое Земли вследствие возмущающего воздействия глубинных волн и распространяются из эпицентра. Частицы среды в поверхностных волнах описывают сложные траектории. Колебания в этих волнах интенсивно затуха­ ют с глубиной.

Скорость распространения глубинных волн зависит от плотно­ сти и упругих характеристик среды. Скорость продольных волн изменяется от 5,6 км/сек в гранитах и базальтах до 0,3—-0,2 км/сек в рыхлых почвенных грунтах. Скорость поперечных волн меньше скорости продольных в 1,7 раза для скальных пород и до 2 раз для рыхлых грунтов [139]. Скорость поверхностных волн несколько меньше скорости поперечных.

Таким образом, каждая точка поверхности Земли испытывает последовательное воздействие волн различного вида. В соответст­ вии с вышеуказанными скоростями первыми подходят к рассмат­ риваемой точке глубинные продольные волны, затем поперечные

ив конце поверхностные. Картина осложняется под влиянием так называемых вторичных волн, образующихся вследствие отражения

ипреломления исходных глубинных волн от поверхности Земли и на границах раздела отдельных слоев земной коры. В результате этого колебания грунта при землетрясениях носят весьма сложный, нерегулярный характер. Очевидцы, испытавшие сильные землетря­ сения, описывают эти колебания как хаотические, «дикие» дви­

жения.

Для изучения свойств землетрясений используются различные исследовательские методы. Теоретический анализ, основанный на инструментальных материалах общей сейсмологии, позволяет вы-

6

и

Рис. 1.1. Акселеграммы горизонтальных колебании грунта при 8-балль­ ных землетрясениях (США)

явить некоторые закономерности механизма очага и распростране­ ния сейсмических воли. В результате натурного обследования по­ следствий сильных землетрясений накапливаются м акр о сей ­ с м и ч е с к и е данные, характеризующие разрушительный эффект (остаточные явления на поверхности Земли, повреждения сооруже­ ний). Наконец, весьма важную информацию о сейсмических коле­

скоростей, ускорений грунта во времени. Особый интерес представ­ ляет с инженерной точки зрения регистрация колебаний грунта при сильных землетрясениях. С этой целью в странах высокой сейсми­ ческой активности (Японии, США и др.) организована сеть инже­ нерно-сейсмологических станций, оборудованная специальными приборами для записи интенсивных колебаний. В последние годы такая сеть организована и в СССР. К настоящему времени получен ряд записей сильных землетрясений [82]. На рис. 1.1 в качестве примера приведены некоторые акселерограммы, наглядно иллю­ стрирующие сложный характер колебаний грунта.

Комплексное использование вышеуказанных методов позволя­ ет установить характеристики землетрясений, представляющие ин­ терес для сейсмостойкого строительства. Важнейшей из них яв­ ляется интенсивность или сила землетрясения '.

С точки зрения общей сейсмологии основной интерес представ­ ляет оценка землетрясения интенсивностью явления в очаге. Для

1 В литературе нет единого толкования этих терминов. В соответствии со . СНнПом [132] мы применяем термин «сила землетрясения» (в баллах) для оценки эффекта па поверхности Земли.

7

M =;lg А/Ао, где А — смещение грунта для волны какого-либо типа (например, поверхностной), зарегистрированное при данном землетрясении на определенном расстоянии от эпицентра; Ао— эталонное смещение для тон же волны на том же расстоянии, соот­ ветствующее весьма слабому землетрясению. Магнитуда его при­ нята равной нулю. Магнитуда сильнейших из зарегистрированных до сих пор землетрясений достигает 8,5—8,6. Энергетический класс

Сильнейшие землетрясения на территории СССР имеют энергети­ ческий класс К = 17— 18. Магнитуда М и класс К связаны линей­ ной зависимостью.

Интенсивность явления в очаге не может непосредственно ха­ рактеризовать эффект землетрясения на поверхности, так как он зависит также от глубины очага, геологических условий и ряда других факторов. Поэтому для инженерных целей применяются сейсмические шкалы, основанные главным образом на макросейсмических признаках и оценивающие силу землетрясения в бал­ лах. Известно большое число сейсмических шкал, предложенных в различных странах и в разные годы. В настоящее время в евро­ пейских странах в основном применяется 12-балльная шкала Мер- калли-Канкани-Зиберга, в США— 12-балльная модифицированная

классификационных макросейсмических признаков для отнесения землетрясения к определенному баллу в этой шкале служат: сте­ пень повреждения и количество поврежденных зданий различных типов; остаточные явления в грунтах и изменение режима грун­ товых и подземных вод; прочие признаки (ощущения людей, поведение домашних предметов). Кроме этого, каждый балл характеризуется определенным диапазоном смещений стандарт­ ного сейсмометра СБМ (см. § 1.3).

Краткая инженерная характеристика силы землетрясения по шкале ИФЗ такова: при 5 и менее баллах здания не повреждаются и остаточные явления в грунтах практически отсутствуют. При 6 баллах наблюдаются легкие повреждения в некоторых зданиях, тонкие трещины в сырых грунтах, единичные оползни в горных районах. Землетрясение силой в 7 баллов вызывает значительные повреждения в некоторых зданиях; возникают тонкие трещины в сухих грунтах и большое число трещин в сырых. Наблюдаются отдельные оползни, изменение дебита источников, возможны гор­ ные обвалы. 8-балльное землетрясение носит разрушительный ха­ рактер: значительно повреждаются многие здания и некоторые раз­ рушаются, интенсифицируются отмеченные выше явления в грун­ тах. При 9 баллах повреждается большинство зданий, некоторые обваливаются. Наблюдаются опрокидывания памятников, повреж­ дения насыпей, искривления рельсов, разрушается большинство

8

фабричных труб и башен. Остаточные явления в грунтах отмеча­ ются в большом количестве. При 10 баллах обваливаются многие здания, трещины в грунтах достигают ширины до 1 м. Землетря­ сения силой в 11 и 12 баллов носят характер крупных катастроф. Они приводят к общему разрушению построек и значительному из­ менению рельефа Земли.

Землетрясения силой 10 баллов и выше на территории СССР

происходят крайне редко. Поэтому основной интерес для нашего сейсмостойкого строительства представляет часть шкалы в диапа­

оценивают по результатам полевого обследования его последствий, на основе вышеуказанных макросейсмических признаков, а также инструментальных записей. По данным обследования устанавли­ вают сейсмические баллы на отдельных участках местности и про­ водят линии равной силы землетрясения — и з о с е й с т ы , разгра­ ничивающие участки с различной балльностью. На рис. 1.2 приве­ дены изосейсты некоторых землетрясений.

В результате изучения многочисленных землетрясений установ­ лены закономерности проявления силы землетрясения на поверх­ ности Земли. Сила землетрясения в эпицентре увеличивается с

9