25.3. ИССЛЕДОВАНИЕ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ МОСТОВ И ТОННЕЛЕЙ

В 20-х годах в СССР началось освоение новых районов Закавказья и Средней Азии, характеризующихся высокой сейсмической активностью. Это обстоятельство необходимо было учитывать при проектировании инженерных, в том числе и железнодорожных сооружений, для чего требовалось прежде всего установить с достаточной достоверностью величины сейсмических нагрузок, а также выяснить характер поведения сооружений при землетрясениях.

К. С. Завриев (1891—1978)

Между тем в мире тогда произошло несколько катастрофических землетрясений, унесших сотни тысяч человеческих жизней и вызвавших огромные разрушения. Только во время Токийского землетрясения 1923 г. погибло более 150 ООО человек. Это привлекло внимание к проблеме сейсмостойкости сооружений, в том числе и транспортных объектов, как за рубежом, так и в нашей стране. Поскольку восстановление земляного полотна и верхнего строения пути осуществлялось сравнительно быстро, основной заботой стало обеспечение сейсмостойкости мостов и тоннелей, разрушения которых во время зем- летрясений приводили к изоляции пострадавших районов и большим трудностям в оказании им необходимой помощи.

Основоположниками теории сейсмостойкости стали японские специалисты. Первые разработки по этой проблеме были выполнены в 1900— 1901 гг. профессором Омори. Считая, что все сооружения перемещаются вместе с основанием как жесткое тело, он не учитывал собственные колебания системы и полагал, что сейсмические нагрузки прикладываются к сооружению статически. Поэтому теория Омори получила название статической. Недостатки ее стали очевидными уже после анализа последствий Токийского землетрясения; на основе этого анализа профессора Мононобе и Сюэхиро пытались разработать динамическую теорию сейсмостойкости, в рамках которой можно было учитывать колебания самого сооружения.

В 20-х годах вопросами теории сейсмостойкости в целях обеспечения надежности и долговечности строящихся и реконструируемых мостов Закавказской железной дороги занялся выпускник Петербургского института инженеров путей сообщения К. С. Завриев . Он проанализировал исследования японских ученых и показал, что Мононобе при выводе формулы для расчета сейсмических нагрузок не учел свободные колебания системы, что привело к необоснованному снижению расчетных нагрузок в два раза и, следовательно, к неправильным результатам.

Выяснив слабые стороны статической теории сейсмостойкости, К. С. Завриев разработал динамическую теорию, учитывающую деформации и свободные колебания конструкций. Основы этой теории изложены в его труде «Расчет инженерных сооружений на сейсмостойкость» (1928). В дальнейшем он интенсивно работал над развитием динамических методов расчета и полученные результаты опубликовал в книгах: «Сейсмостойкость инженерных сооружений» (1931), «Основы теории сейсмостойкости» (1933), «О теории сейсмостойкости и технических условиях» (1933), «Расчет гибких сооружений на сейсмостойкость» (1934). Его работы печатались и в таких солидных зарубежных журналах, как «Bauingenieur» (1934) и «Beton und Eisen» (1937). К разра- ботке динамической теории сейсмостойкости К. С. Завриев привлекал своих учеников, в том числе А. Г. Назарова, в будущем академика. Результаты их исследований нашли отражение в книге «Теория сейсмостойкости» (1937).

Под руководством К. С. Завриева сформировалась научная школа сейсмостойкого строительства (Ш. Г. Напетваридзе, Э. А. Сехниашвили, Г. Н. Карцивадзе, Ш. А. Джабуа, A. JI. Чураян, Ан. А. Лосаберидзе, Г. Н. Чачава и другие), получившая признание в научном мире. К. С. Завриев был избран директором Международной ассоциации по сейсмостойкому строительству. Упомянутые работы К. С. Завриева и его учеников нашли практическое применение. Под его руководством было спроектировано и построено несколько арочных мостов на Закавказской железной дороге. Как показали обследования, эти мосты и ныне удовлетворяют требованиям сейсмостойкого строительства.

Однако при весьма ограниченной информации о характере землетрясений и отсутствии опытного материала динамическую теорию нельзя было широко использовать в практических расчетах. Кроме того, эта теория, как и статическая, не могла еще в то время учесть взаимодействия сооружения с основанием и их пластические свойства. Между тем, как отмечали В. О. Цшохер и В. А. Быховский, «фундамент является как бы источником волн, посылаемых навстречу колеблющейся почве, чем уменьшаются элементы движения колебательного процесса земной коры и еще больше усложняются законы ее движения»30. В связи с этим продолжали использовать для расчетов статическую теорию сейсмостойкости. Одновременно велись поиски усовершенствования ее с учетом требований, вытекающих из динамической теории.

В нашей стране эти поиски были обусловлены рядом разрушительных землетрясений (1920 г. — Горийское, 1926 г. — Наманганское, 1927 г. — Ле- нинаканское и Крымское, 1948 г. — Ашхабадское), а также строительством в 1927—1930 гг. Туркестано-Сибирской магистрали в зоне, подверженной сейсмическому воздействию.

В исследованиях по теории сейсмостойкости, выполненных в эти годы, значительное внимание уделялось строительству искусственных сооружений. Наблюдаемые повреждения мостов и тоннелей при землетрясениях и технические правила их сооружения изложены в трудах В. О. Цшохера , В. А. Быховского, Н. Н. Ботвинкина, А. А. Гельфера и других специалистов. Было установлено, что основной причиной повреждения мостов являются горизонтальные сейсмические силы. Упомянутые технические правила включали, в частности, требование простоты конструкции, рекомендовали применять балочные и рамные мосты, ограничивали высоту деревянных мостов 12 метрами. Особое внимание уделялось проектированию опорных частей и тщательному омоноличиванию опор. Эти требования не потеряли актуальности и до настоящего времени. С учетом результатов выполненных исследований был составлен ряд нормативных документов; в 1930 г. появились первые нормы Стройкома Казахской ССР для строителей Турксиба, в 1931 г.

В середине 30-х годов встал вопрос о создании единых норм антисейсмического строительства вместо временных технических условий, действовавших в отдельных республиках. В качестве таких норм в 1939 г. вышла инструкция Наркомстроя по расчету и проектированию сооружений в сейсмических районах.

Что касается сейсмостойкости транспортных тоннелей, то в силу относительно небольшого объема строительства их в рассматриваемый период материал по обследованию таких сооружений весьма ограничен. В происшедших землетрясениях — Горийском, Ленинаканском и Крымском — повреждения тоннелей произошли только в первом случае: в районе станции Гори Закавказской железной дороги наблюдались мелкие трещины в портальной части тоннеля и небольшое сползание откосов вблизи портала.

В то же время за рубежом, где строилось много тоннелей, имели место многочисленные повреждения их при землетрясениях. Так, 1 сентября 1923 г. при Токийском землетрясении силой 9,5 балла получили повреждения 150 железнодорожных, автодорожных и пешеходных тоннелей. На примыкающих к Токио семи железнодорожных линиях подверглось деформации вплоть до разрушения 82 из 116 тоннелей . В Андах (Чили) при землетрясении 6 апреля 1943 г. повреждены 10 железнодорожных и автодорожных тоннелей. Наиболее характерными были трещины в сводах и на боковых стенах тоннелей, а также в порталах, и, кроме того, деформации, связанные с изменением формы тоннеля или портала и смещением их осей.

Лишь в послевоенные годы в связи с развитием строительства в сейсмических районах, занимающих около 30 % территории СССР, усилилось внимание к вопросам сейсмостойкого строительства тоннелей и анализу повреждений их при сейсмических воздействиях.