Динамическое взаимодействие негрунтовых и грунтовых элементов гидротехнических сооружений, возводимых в сейсмических районах

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 эта 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 «конструкция-грунт» нагрузок и сил взаимодействия на контактах. Именно такой путь исследования был принят в настоящей работе.

Цель 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 исследований 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 конструкциина 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 И 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, посвящённые 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 пространствешюсти её работы

Таким образом, на основе экспериментальных и теоретических исследований в работе сформулирован ряд научных положений, позволяющих расширить рамки возможностей модельных исследований,

12 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 исследованийиспользованием апробированных методов и приборов для регистрации относительных деформаций и ускоренийисключением источника систематических ошибок (армирующего эффекта наклеиваемых тензорезисторов) при работе с низкомодульными малопрочными материаламиприменением новой конструкции датчика динамического давления грунта и метода его калибровки, исключающих влияние «арочного эффекта» в грунте и масштабного фактора на результаты измеренийпроведением масштабной серии экспериментов, подтвердившей правомерность переноса её результатов на натурные объекты.

Достоверность результатов экспериментальнотеоретических 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

13 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 (Киршзшпроводхоз), на р. Малая Алматинка (Казшпроводхоз), а также вошли в учебное пособие «Гидротехнические сооружения» под редакцией Н. П. Розанова (МоскваДгропромиздат, 1985 год.)

Личный вкяаЬ в решение проблемы. 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: В. И. Думенко, В. П. Шарков, С. Д. Самойлов, В. В. Пискарев, С. А. Ясиненцкий и Э. С. Сааков — при разработке методов моделирования сейсмических воздействийВ.П.Шарков,

Нгуен Ван Хуан, В. А. Белохвостов — при разработке и испытаниях датчиков контактного динамического давления грунтаВ.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

Е.А.Овсенюк 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 С. Д. 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, квазистатаческие 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 МШИ (1978,1979,1982,1984,198бг.г.) и МГУП (1990, 1992,1996,2000 г.г.), на Всесоюзных научно-технических координационных совещаниях по гидротехнике в 1973,1975,1981,1982 годах. Выносились на обсуждение широкого круга гидротехнической и научной общественности путём публикации в ж. «Гидротехническое строительство» за 1978,1980,1996,1998,2001 г.г. и ж. «Строительство и архитектура» (известия ВУЗов) за 1979,1983,1988 г.г., ж. «Строительство» (известия ВУЗов) 1995 и 2001 г.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, шеста глав и заключения. Содержит список литературы из 93 наименований, включая 82 работы отечественных и 11 работ зарубежных авторов, а также основные условные обозначения.

выводы.

1. Предложены критерии моделирования, разработаны и внедрены в практику исследований новые материалы для изготовления моделей бетонных конструкций и грунтовых засыпок, и методы оперативного определения их свойств, методы и устройства для воспроизведения сейсмических воздействий, малогабаритные датчики динамического давления грунта, метод учёта армирующего влияния наклеиваемых тензорезисторов, которые позволяют существенно расширить условия моделирования, сократить временные и материальные затраты на проведение модельных исследований.

2. Установлена зависимость изменения коэффициента сопротивления песчаных грунтов сдвигу от уровня динамических напряжений в грунте, которая даёт возможность учитывать это обстоятельство в расчётах устойчивости грунтовых сооружений.

3. Получены расчётные зависимости для определения динамического давления грунта на подпорные стенки, позволяющие при различной податливости грунта основания учесть плотность грунта засыпки, его акустическую жёсткость и частоту динамического воздействия, геометрию стенки и поверхности засыпки за ней, существенно расширяющие возможность учёта этих факторов при проектировании сооружений.

4. Предложены аналитические зависимости, которые в сочетании с экспериментальными данными дают возможность обоснованно оценить напряженно-деформированное состояние галерей под насыпями от сейсмического воздействия и назначить расстояния между деформационными швами по длине конструкции.

5. Результаты исследований показали, что определение динамических характеристик грунтовых насыпей (плотин) с дисперсным армированием и армированием крупноячеистыми конструкциями можно осуществлять, не учитывая влияния армирующих элементов, без существенной потери точности.

6. Модифицированный метод расчёта устойчивости откосов грунтовых плотин с дисперсным армированием по кругло-цилиндрическим поверхностям скольжения, учитывающий дополнительные усилия от веса грунта отсека обрушения над бортами русла и силы распора, возникающие при смещении этого отсека вниз в узком створе, даёт возможность учесть пространственный характер работы сооружения.

Всё сделанное свидетельствует о том, что в рамках настоящей диссертационной работы на новом научном уровне решён комплекс вопросов экспериментального и расчётного обоснования гидротехнических сооружений, работающих в сейсмоопасных регионах России.

Заключение

Завершая изложение результатов работы, ещё раз вернёмся к роли модельных исследований в гидротехнике. Сегодня, в условиях интенсивного развития вычислительной техники и программирования возникает мысль о всесилии расчётных методов исследования, тем более, что они позволяют получить результаты с существенно меньшими материальными и временными затратами, чем методы физического моделирования. Иногда даже высказывается мнение, что именно результаты расчёта являются критерием достоверности данных, полученных экспериментальным путём. Это, конечно, крайняя позиция, однако находящая известное подтверждение в практике, когда доля модельных исследований в процессе проектирования неуклонно снижается. Тенденция вполне обоснована. Действительно, эксперименты на физических моделях дороги и трудоёмки, а расчётные методы оперативны и дёшевы. При этом результаты расчётов вполне достоверны, при условии, конечно, если постановка задачи отражает физику изучаемого процесса. Очевидно, в этом случае физический эксперимент не нужен. К сожалению, круг таких задач не очень велик, особенно, если речь идёт о взаимодействии негрунтовых конструкций сооружений с окружающим их грунтом, или о поведении сооружений композитных, в которых негрунтовая и грунтовая составляющие создают единую конструкцию.

Ранее мы неоднократно подчёркивали, что на характер динамической работы таких сооружений существуют разные точки зрения. Одна исходит из соображения, что работа сооружения полностью определяется динамическим поведением вмещающего массива грунта. Другая полагает, что сооружение и грунт являются составляющими единой динамической системы, и учёт характеристик этой системы является обязательным при изучении динамической работы объекта.

Выше мы показали, что для сооружений рассмотренных в настоящей работе, находит подтверждение первая из названных точек

256 зрения. Однако ясно, что для больших галерей под невысокими насыпями, как и для ячеистых конструкций при большой массивности и жёсткости бетонного каркаса отказ от учёта динамических характеристик негрунтовых элементов при исследовании работы сооружения был бы неправомерен. Очевидно, изучение физической картины поведения сооружений в сложных граничных условиях, в частности — динамической работы негрунтовых конструкций, взаимодействующих с грунтовыми массивами, является основным предметом экспериментальных исследований на физических моделях. К сожалению, решение многих задач такого плана оказывается недоступным в связи с невозможностью даже приближённого воспроизведения на малых моделях всех процессов, проходящих в фунтах, как в двухфазных, и, тем более, трёхфазных средах. Всё сказанное привело к необходимости решения ряда методических вопросов, таких, как определение круга задач, решение которых возможно и целесообразно проводить с использованием физических моделей и уточнение критериев моделирования некоторых конструкцийсоздание новых «эквивалентных» материалов, воспроизводящих на малых моделях прочностные и деформативные свойства бетона и несвязных грунтовразработка оперативных и надёжных методов и приборов для исследования свойств этих материаловразработка методов и устройств для моделирования волнового характера и частотного состава сейсмических воздействийсоздание новых приборов для измерения динамического давления грунта на малых моделях и разрешение проблемы измерения относительных деформаций моделей из «слабых», низкомодульных материалов с применением наклеиваемых тензорезисторов.

Разработанная методика позволила выполнить модельные исследования таких негрунтовых конструкций гидротехнических сооружений, как подпорные стенки и галереи под насыпями при их взаимодействии с грунтовыми массивами, а также композитных сооружений грунтовых плотин, армированных крупноячеистыми конструкциями и плотин из грунта с дисперсным армированием. При этом были решены

257 методические задачи по оценке влияния степени податливости основания и вида сейсмического воздействия на их работу, влияния масштабного фактора на результаты исследования подпорных стенок, влияния системы моделирования сил собственного веса на поведение модели плотины из армированного грунта в стадии разрушения.

Б завершение работы, конечной целью которой была выработка надёжных инженерных решений для определения нагрузок от грунта на негрунтовые элементы гидротехнических сооружений при сейсмических воздействиях, остановимся на оценке достоверности её результатов. Часть их: вывод о доминирующей роли грунта в работе системы «негрунтовая конструкция — грунт», закономерность влияния податливости основания на характер распределения и величины интенсивности динамического давления грунта на подпорную стенку получены опытным путём, при исследованиях модельных объектов, с учётом опубликованных данных натурных исследований. Решение задачи о динамическом давлении фунта на жёсткую подпорную стенку при жёстком её основании выполнено на основании теоретического анализа, с определением коэффициента влияния приведенной массы фунта из эксперимента. Определение динамических нафузок от фунта на подземные галереи и сейсмических напряжений в них, оценка устойчивости откоса плотины из армированного фунта осуществлены теоретическим путём. Постановка задачи в этих случаях была выполнена на основе представлений о физической природе взаимодействия объектов с фунтом, которые нашли подтверждение в процессе экспериментов на модельных объектах. Достоверность результатов подобных исследований может быть охарактеризована совокупностью факторов, приведенной на схеме 1.

Очевидно, конечные результаты могут быть признаны достаточно надёжными, если нет сомнений в достоверности данных, полученных как теоретически, так и экспериментальным путём.

Обязательными условиями, обеспечивающими верность теоретического или экспериментально-теоретического решения, являются соответствие

258 постановки задачи физике изучаемою явления и адекватность используемого математического аппарата. Критерием достоверности в этих случаях может служить согласованность полученных результатов с данными натурных исследований или корректно поставленных и выполненных опытов на физических моделях.

Схема 1.

При этом критерием надёжности экспериментально-теоретического решения, по нашему мнению, может служить соответствие результатам повторных независимых, лучше, проведенных другим исследователем опытов. Достоверность такого решения по определению динамических нагрузок от грунта на подпорную стенку в условиях податливого основания подтверждена сопоставлением с данными полунатурного независимого эксперимента.

Критерием надёжности теоретических решений в нашей работе принято согласование их с результатами модельных исследований. Совокупность факторов, определяющих достоверность последних, приведена на схеме 2. Это, прежде всего, адекватность принятых критериев моделирования и уверенность в том, что соблюдение их требований обеспечивается на всех этапах проведения эксперимента. Соблюдение критерия линейно-упругой работы модельного объекта, как показано в главе 5, было обеспечено во всём диапазоне изменения динамических и статических нагрузок.

Схема 2.

Корректность воспроизведения сил собственного веса модели армогрунтовой плотины нашла убедительное подтверждение в совпадении динамических характеристик модельных объектов, оснащённых системой анкеров и тяг для создания этой нагрузки, и моделей, свободных от этой системы. Адекватность учёта влияния податливости основания на характер распределения и величины интенсивности динамического давления грунта была проверена в специальной методической серии опытов. Таким образом, можно утверждать, что соблюдение требований теории подобия, необходимых для решения поставленных задач было обеспечено.

Соответствие характеристик моделей принятым критериям было обеспечено разработкой новых методов и устройств, которые позволили оперативно и с большей, чем ранее, точностью определять физико-механические характеристики материалов для моделирования бетонных и грунтовых элементов сооружений. Это новые хрупкие материалы с повышенными по условиям подобия деформативностью и плотностью и весьма малой прочностью, и утяжелённые сыпучие искусственные грунты с малыми скоростями распространения сейсмических волн и близкими к натурным сдвиговыми характеристиками.

Соответствие характеристик модельного сейсмического воздействия поставленным задачам было обеспечено разработкой нового метода и ряда экспериментальных установок, позволивших воспроизвести на малых модельных объектах требуемый частотный состав и вдлновой характер воздействия.

Достоверность результатов модельных исследований в большой мере зависит от точности определения измеряемых величин. Относительная погрешность метода проволочной тензометрии, использованного в настоящей работе, по оценкам специалистов (Неразрушающие испытания (справочник), под ред. Р. Мак-мастера, книга 2, М.-Л., Энергия, 1965, с. 492.) составляет около 2%. Такова же погрешность измерения ускорений пьезоакселерометрами. Осциллографирование и ручная обработка осциллограмм вызывает дополнительную погрешность, которая составляет примерно 5%. Таким образом, относительная погрешность определения этих величин не превышает 7%.8%, конечно, при условии отсутствия источников систематических ошибок.

При использовании для изготовления моделей малопрочных низкомодульных материалов таким источником является армирование поверхностного слоя материала наклеиваемым тензорезистором. Ошибка измерения относительных деформаций, обусловленная этим обстоятельством, может достигать сотен процентов, делая результаты измерений абсолютно недостоверными. В наших экспериментах для

261 исключения влияния этого фактора была разработана методика тарировки измерительной системы на образцах, изготовленных одновременно с моделью, из того же материала, и проведены систематические исследования, позволяющие учесть армирующий эффект наклеиваемого тензорезистора при тарировке традиционным методом.

Точность измерения динамического давления грунта определяется величинами погрешностей системы преобразования давления в электрический сигнал и системы регистрации и измерения величины последнего. Наибольшая потеря точности возможна в первой из них, что обусловлено проявлением «арочного эффекта» в грунте на контакте с приёмным элементом датчика давления и «масштабного фактора», связанного с соотношением размеров приёмного элемента и частиц грунта на контакте с ним. Разработанные автором конструкции датчиков на основе пьезокерамики и методика их исследования и калибровки позволили исключите влияние этих источников систематических ошибок и гарантировать точность не меньше, чем при измерении ускорений.

Достаточная точность измерений даже при соблюдении всех перечисленных выше требований не гарантирует полной достоверности полученных результатов, поскольку при постановке задачи модельных исследований по причинам технического характера в расчёт принимаются один — два необходимых критерия подобия, учитывающие лишь основные силовые факторы. Проверка достаточности этих критериев для адекватного моделирования может быть получена путём выполнения масштабной серии опытов, позволяющей переносить результаты модельных исследований на реальные объекты. Такая серия, показавшая достаточность принятых критериев моделирования, была выполнена в настоящей работе.

Решение проблемы расчётного обоснования сейсмостойкости гидротехнических сооружений, негрунтовые конструкции которых взаимодействуют с грунтовыми массивами получено на основе результатов диссертационной работы, носящих научно-методический характер и позволивших обеспечить достоверность экспериментальных данных о

262 повелении сооружений в условиях землетрясения, и базирующихся на них результатов экспериментально-теоретических и аналитических исследований.

Основными научно-методическими являются следующие результаты:

— обоснованы критерии моделирования таких сооруженийправомерность их использования подтверждена характером работы модельных объектов в широком диапазоне изменения действующих нагрузок, данными испытаний масштабной серии моделей и хорошим согласованием величины силы динамического давления грунта на стенку, рассчитанной по экспериментально-теоретическим зависимостям автора с данными полунатурных исследований;

— впервые получены материалы, позволяющие на малых моделях воспроизвести упругие и прочностные характеристики бетона и проводить модельные исследования сооружений вплоть до стадии разрушения, с обоснованной оценкой их несущей способности;

— разработаны и внедрены в практику новые методы и устройства для определения физико-механических характеристик низкомодульных хрупких материалов с малой прочностью и искусственных модельных грунтов, значительно ускоряющие и удешевляющие процесс подбора их составов, обладающих заданными свойствамирешена задача надёжного измерения относительных деформаций модельных объектов, выполненных из низкомодульных материалов малой прочности методом проволочной тензометрии, с исключением влияния армирующего эффекта наклеиваемых тензорезисторов;

— теоретически обоснован и внедрён в практику исследований новый «импульсный» метод моделирования сейсмического воздействия, позволяющий воспроизвести волновой его характер и требуемый по условиям подобия частотный состав колебаний, созданы установки для реализации метода в условиях скальных и грунтовых оснований;

— созданы пьезоэлектрический датчик динамического давления грунта на ограждающие конструкции, методика и устройства для его исследования и калибровки, позволившие на малых моделях уверенно осуществлять измерения в широком диапазоне изменения частот динамического воздействияустановлена зависимость изменения коэффициента сопротивления песчаных грунтов сдвигу от соотношения статических и динамических напряжений в грунте.

Разработанные методика и техника моделирования дали возможность получить следующие новые сведения о характере динамического взаимодействия негрунтовых и грунтовых элементов сооружений: динамическое поведение бетонных конструкций сооружений, взаимодействующих с грунтом, в рассмотренных граничных условиях определятся, преимущественно, динамическими свойствами массива грунта, их вмещающегопо форме распределение интенсивности динамического давления грунта на подпорные стенки массивные и уголкового профиля на жёстком основании близко к треугольнику, с минимальным значением вблизи подошвы стенкирост податливости основания приводит к уменьшению динамического давления в верхней части уголковой подпорной стенки и его увеличению в нижней частиопыты, выполненные в широком диапазоне изменения податливосга, позволили выявить закономерность влияния этого фактора;

— геометрия подпорной стенки и поверхности грунтовой засыпки за ней существенно влияет на величину силы динамического грунтастепень этого влияния мало зависит от податливости основаниянапряжения в галерее под насыпью при взаимодействии конструкции с фронтом сейсмической волны, распространяющейся вдоль её оси значительно (примерно вдвое) больше напряжений при стационарном сейсмическом воздействиипри продольном воздействии величины максимальных сейсмических напряжений в секции галереи, выделенной деформационными швами, зависят от относительной длины секции (отношение длины секции Ьг к высоте галереи Ьг), достигая наибольшего значения при Ьг/ ~ 4 и оставаясь постоянными при дальнейшем увеличении расстояния между шваминапряженно-деформированное состояние галереи прямоугольного сечения от поперечного сейсмического воздействия определяется силами динамического давления грунта на боковую и верхнюю грани и касательными силами взаимодействия, действующими в плоскостях горизонтальных граней сооружениякрупноячеистое и дисперсное армирование рассмотренных в работе грунтовых сооружений практически не влияет на их динамические характеристики, которые можно определять расчётом как для грунтовых конструкций без армирования;

— ускорение сейсмического воздействия 0,12g.0,13§ (на модели l, 2g. l, 3g) явилось предельным для работы плотины из армированного несвязного грунта как сплошной монолитной конструкции, однако появление и развитие трещин на гребне не сопровождалось опасными нарушениями сплошности верхового клина даже при многократно повторяющихся сейсмических толчкахв случае устройства водонепроницаемого экрана (или маловодопроницаемого — с эффективным дренажем за ним) конструкция с подобными повреждениями не теряет несущей способности и не исключает возможности ее эксплуатации с одновременным проведением ремонтных работформа разрушения насыпей из грунта с дисперсным армированием от статических и сейсмических нагрузок по своему характеру близка к форме разрушения грунтовых откосов, что даёт возможность использовать при их расчёте метод кругло-цилиндрических поверхностей скольжения.

Данные экспериментов обеспечили возможность корректной постановки задач экспериментально-теоретических и аналитических исследований по определению сейсмических нагрузок от грунта на негрунтовые элементы сооружений, и напряжений в них. Результатами этих исследований являются: аналитический метод расчёта динамического давления грунта па жёсткую подпорную стенку при жёстком основании, подтверждённый в качественном и количественном отношении результатами модельных исследованийзависимости для определения динамического давления грунта на подпорные стенки уголкового профиля при различных значениях податливости основания, подтвержденные результатами экспериментальных исследований в полунатурных условиях;

— аналитические методы определения напряжений в галереях под насыпями при продольном сейсмическом воздействии и динамических нагрузок от грунта при воздействии поперечном, получившие качественное и количественное подтверждение в результатах модельных исследованиймодификация метода кругло-цилиндрических поверхностей скольжения, позволяющая учесть влияние армирующих элементов и сил сопротивления на контактах сооружения с жёсткими бортами русла при сейсмических нагрузках, которая подтверждена результатами изучения двух модельных объектов в стадии разрушения.

Представленные в диссертации результата многолетних экспериментальных исследований были использованы при проектировании сооружений ряда гидроузлов, возведенных в районах с повышенной сейсмической активностью: Токтогульского, Курпсайского, Кировского, Алаарчинского, селезащитной плотины на р.М.Алматинка

Полученные в работе результата позволяют сделать следующие