В результате землетрясения Рабинович и Шлемензон оказались заваленными в подвале. Спасатели из Красного креста разбирают руины, чтобы их освободить. И вот - их разделяет только одна стена. Один из спасателей стучит молотком по этой стене. Оттуда раздаётся голос:
- Кто там?
- Красный крест.
- На Красный крест мы уже деньги сдавали.
Это пятая статья о сухопутном пути на остров Сахалин.
Статья №4
Подземные сооружения при колебаниях грунтового массива находятся в лучшем положении по сравнению с наземными, поскольку грунтовый массив, в котором расположен тоннель, активно воздействует на стены, но одновременно сам же служит препятствием для перемещения конструкций тоннеля. Тоннели не входят в резонанс при сейсмических воздействиях, подобно наземным сооружениям, а реагируют на землетрясения таким же образом, как окружающий их массив грунта. Масса тоннелей не оказывает влияния на параметры сейсмических волн, так как погонная масса тоннеля мало отличается от замещенной им погонной массы грунта. Подземные сооружения обладают большим коэффициентом демпфирования, поскольку энергия рассеивается в окружающий массив грунта, что существенно уменьшает колебания. Демпфирование в подземных сооружениях в пересчете на вязкое трение может достигать 20% от критического значения, в то время как в наземных строительных конструкциях (стальных и железобетонных) этот коэффициент не превышает 4-5%. В частности, мосты, особенно большепролетные, «болезненно» реагируют на колебания земной поверхности. Это связано с тем, что мостовые сооружения обладают малым относительным коэффициентом демпфирования, а их собственные частоты попадают в область доминирующих частот землетрясений.
В грунте могут распространяться объемные и поверхностные волны, которые движутся с различными скоростями, в горной среде — объемные волны двух типов.
Волны первого типа называют по разному: продольными, разряжения, сжатия, безвихревыми или Р-волнами (первичные волны); последнее название связано с тем, что эти волны при землетрясениях приходят первыми.
Волны второго типа называют поперечными, сдвиговыми, вихревыми или S-волнами (вторичными волнами). Эти волны приходят позже продольных волн и распространяются только в твердых телах, так как в жидких средах модуль сдвига равен нулю.
При достижении поверхности объемные волны превращаются в поверхностные волны названные в честь ученых доказавших их существование: Рэлея и Лява.
В России для расчета тоннелей на сейсмические воздействия используется квазистатический метод, который был предложен профессором Булычевым Н.С. и Фотиевой Н.Н. Метод расчета изложен подробно в работах Булычева Н.С. Применение этого метода обосновывается тем фактом, что длины сейсмических волн существенно превышают наибольшие размеры поперечных сечений тоннелей. Для расчета используются экстремальные значения параметров волн. Волны напряжений считаются плоскими, и экстремальные значения напряжений прикладываются на бесконечности.
Напряжения, действующие на подземные сооружения при проходе сейсмических волн, определяются по формулам:
где: А – условное сейсмическое ускорение частиц породы в долях g ( 0,4 для расчетной сейсмичности 9 балов); K1 - (примем равным 1), коэффициент учитывающий допускаемые повреждения тоннельных обделок, т.к. тоннель подводный и повреждения стен тоннеля не допускается.
"гамма" - удельный вес окружающей породы (обратной засыпки водонасыщенный песок) примем равным 3100 кг/м3; Vp и Vs – скорости продольных волн и поперечных сейсмических волн в грунте, для песка Vp примем равным 1500 м/с, Vs примем 850 м/с; T0 - (примем равным 0,5 с) период колебаний доминирующей гармоники сейсмического воздействия; Kh - коэффициент, учитывающий глубину заложения сооружения, принимаемый, при малых глубинах, равным единице не зависимо от геологических условий.
Посчитаем значения напряжений для нашего малозаглубленного тоннеля под дном пролива Невельского:
а) нормальные напряжения - 148х10^3 кг/м2=1.48 МПа
б) касательные напряжения - 84x10^3 кг/м2=0,84 МПа
Вывод 1, на основании выше изложенного оценочного расчета, значения напряжений при действии сейсмических волн 9 бальных землетрясений на подводный тоннель мелкого заложения расположенный в песчаных грунтах дна залива Невельского невысоки. И вполне, с значительным запасом, перекрываются прочностными характеристиками обычных армированных тяжелых бетонов, не говоря уже о прочностных характеристиках стальной внутренней трубы. Следует отметить, что относительные деформации при таких напряжениях могут превышать допустимые значения для неармированного бетона, поэтому конструкция обделки Сахалинского тоннеля принятая советскими инженерами в 1951 году, из чугунных тюбингов вполне себе соответствует действующим понятиям о сейсмической нагрузке на подземные конструкции, очевидно тоннель построенный по этому проекту простоял бы и до нашего времени, аналогично ранее построенному тоннелю под Амуром.
Есть еще один немаловажный вопрос сейсмической стойкости малозаглубленного тоннеля на Сахалин, который необходимо рассмотреть. Тоннель пересекает зону с несколькими активными тектоническими разломами. Относительные смещения берегов разломов могут достигать значимых величин. В этих случаях возникают дополнительные усилия и напряжения стенах тоннеля, которые могут превысить сопротивление материала тоннеля, привести к образованию трещин, снизить условия обеспечения безопасности и долговечности сооружения. В нормах не рассматривается вопрос обеспечения прочности элементов тоннеля пересекающего разлом, рекомендуется увеличивать толщину обделок тоннелей в местах пересечения активных разломов.
Ввиду того, что зона влияния разлома на напряжённо-деформированное состояние тоннеля ограничена, для упрощения расчёта имеет смысл рассматривать 1/2 часть тоннеля, как полубесконечную балку на упругом основании.
Очевидно, для определения значения момента, и зоны влияния разлома, необходимо решение дифференциальное уравнение изгиба балки на упругом основании в обобщённых функциях. Но в этой статье мы этим заниматься не будем. Попробуем оценить максимально возможные перемещения дна пролива в зоне разлома, исходя из максимально упрощенной расчетной схемы тоннеля, и не решать дифференциальное уравнение прогиба балки на упругом основании, используя разные математические "махинации".
Рассматривая расчетную схему полубесконечной балки на упругом основании, можно прийти к выводу, что она вполне похожа на расчетную схему консольного стержня, единственное, что нам мешает, ее так рассмотреть, это наличие отпора грунта, соответственно отказавшись от учета отпора мы несильно ухудшим "оценочность" расчета, в некотором смысле это пойдет в запас, и даст нам представление о возможности рассматриваемого конструктива тоннеля работать в зоне разлома.
В связи с тем, что зона влияния разлома нам не известна, в расчетной схеме это вылет L консоли. Необходимо принять прогиб конца консоли "дельта В" в схеме, который соответствует половине величины смещения берегов разлома. Результатами геофизических исследований пролива Невельского мы не располагаем, поэтому зададимся величиной смещения берегов разлома в 1,0 м, такое поднятие дна соответствует весьма разрушительному землетрясению, прогиб балки будет равен половине смещения берегов разлома. Формула прогиба для консоли f= QL^4/ (8EJ) где, Q - равномерно распределенная расчетная на тоннель от собственного веса с учетом архимедовой силы и полезной кратковременной нагрузки, =20 т/м. E - модуль упругости материала балки бетон В30 =3310, т/м^2. J - момент инерции тоннеля примем как для трубы 11,4 м внутренним диаметром и толщиной стенки 0,85м Ix,y = πD^4/64 - πd^4/64=617 м^4, L - длина пролета балки в нашем случае 1/2 зоны влияния разлома, м.
Из формулы прогиба L= (8fEJ/Q)^0,25=(8*0,5*3310*617/20)^0.25=45м. Таким образом, длина влияния разлома 90 м при перепаде берегов 1м. Что не сильно скажется на эксплуатации тоннеля, продольный уклон остается в пределах 1-2% в зависимости от участка, что возможно даже не потребует профилирования балласта ж. д. пути.
Оценим потребность в величине армирования при таких перемещениях, максимальный момент М=QL^2/8=20*45^2/8=5062 тм. По предельному моменту соответствует требуемой площади армирования из А500 Аs1=200 см2, что для такого сечения совершенно незначительно, примерно 40 стержней Ф25мм.
Вывод 2. Параметры рассматриваемой конструкции в виде непрерывного транспортного тоннеля по типу сталежелезобетонной трубы под дном пролива Невельского, отвечают требования сейсмостойкости для района строительства имеют значительный запас для восприятия деформаций дна в зоне прохождения тектонических разломов.
В следующей статье рассмотрим вопрос организации строительства такого тоннеля, и также некоторые конструктивные вопросы, затронем актуальную проблему террористической и диверсионной защищенности, оценим стоимость строительства на 2024 год.
Остальные статьи по теме:
Статья №1.
Статья №2
Статья №3