Машина времени

Инж. П. ЖАРАВОВ

Земляные сооружения должны быть не менее прочными, чем бетонные. Но как быть уверенным, что откосы канала, плотин, дамб не будут оползать, что огромные массы грунтов смогут успешно сопротивляться размыву и благодаря собственной тяжести не дадут вредных для сооружения осадков, вызывающих аварии или катастрофы. Очевидно, прежде чем построить то или иное сооружение, необходимо его проверить; важно заранее определить, обеспечивает ли проект сооружения достаточную прочность. Какими же методами производят проверку на прочность будущего сооружения?

Во-первых, путем теоретических расчетов на основании известных нам свойств грунтов, и во-вторых, производя соответствующие испытания.

Эти практические испытания стали возможными сравнительно недавно благодаря методу «центробежного моделирования», введенному в СССР профессором Военно-инженерной академии Г. И. Покровским.

Сущность этого метода заключается в следующем: можно поставить маленькую модель земляного сооружения примерно в те же условия, в каких будет находиться в течение десятков и сотен лет будущее сооружение. Иначе говоря, центробежное моделирование дает возможность подвергнуть модели сооружения действию тех разрушительных сил, которым будет подвергаться само сооружение в натуре. Поясним это на примере: возьмем камень и привяжем его к бечевке; взяв конец бечевки в руку, будем вращать камень так, чтобы центробежная сила натянула бечевку. Это натяжение будет тем больше, чем быстрее движется камень. Очевидно, центробежная сила может быть сделана очень большой. Эта сила действует на все частицы камня и может даже при подходящих условиях вызвать его разрушение.

Представим себе теперь вместо камня коробку, внутри которой помещена модель исследуемого сооружения. Подобрав подходящую скорость, мы можем легко вызвать в этой модели такие напряжения, которые точно соответствуют действительности. Если при этом модель разрушится, то неизбежно и большое сооружение (из того же материала и той же конструкции) постигнет катастрофа. Если же модель устоит, то можно не сомневаться и в прочности большой постройки.

Возникает вопрос: ведь сооружение будет подвергаться действию разрушительных сил, собственной тяжести, воды, ветра и т. д. в течение долгих десятков лет, как же можно в короткое время испытания узнать влияние этих сил?

Но ценность метода центробежного моделирования именно в том и заключается, что он как бы превращает десятилетия в часы, а часы в секунды.

В самом деле, при центробежном моделировании иногда достаточно одной минуты (а порою и нескольких секунд) для того, чтобы изучить точно, как будет вести себя сооружение в течение 3 месяцев.

Большая центрифуга Фундаментстроя, установленная в подвале в Москве, под улицей Солянкой.

В чем же заключается действие этого удивительного прибора и как он выглядит?

Представим себе обыкновенное коромысло с 2 ведрами. Если человек, несущий такое коромысло на своем плече, станет кружиться, то он начнет вращать вокруг себя и ведра. При этом ведра, которые висели вертикально, начнут постепенно приподыматься; их днища будут отходить в стороны от вертящегося человека.

Если мы вместо человека укрепим коромысло с ведрами на вращающемся стержне, то скорость оборотов вращения этого стержня можно довести до нескольких сот оборотов в минуту. При большой быстроте вращения ведра, привешенные к коромыслу, примут совершенно горизонтальное положение. Несмотря на это, вода, налитая в эти ведра, не выльется, а как бы прижмется ко дну.

Из физики мы знаем, что вода не выливается из ведра потому, что при вращении в нем развиваются центробежные силы, которые влекут воду в сторону от оси вращения. Вода испытывает как бы сильное давление; в зависимости от скорости вращения это давление воды на дно будет сильнее или слабее.

Теперь представим себе, что вместо ведер мы привесим к обоим концам коромысла большие металлические коробки, а вместо воды поместим в эти коробки модель земляного сооружения, уменьшенную в 4 или 5 тыс. раз. Это и будет, в самых грубых чертах, центрифуга.

Центральная часть центрифуги.

Когда мы начнем вращать металлические коробки, или, как их называют, ящики-каретки, то модели сооружений, находящиеся в них, начнут испытывать действие центробежной силы. Увеличивая быстроту вращения, мы тем самым увеличиваем и силу давления на модели.

Но ведь модель земляного сооружения — это не жидкое тело, как вода, а твердое. Если мы доведем скорость вращения до большой величины, то модель неизбежно начнет разрушаться и в конце концов может превратиться в груду земли, прижатой ко дну каретки.

Теперь вдумайтесь, что у нас получилось: модель так укреплена в каретке, что ее основание лежит на дне; когда под влиянием вращения каретка начинает принимать горизонтальное положение, то центробежная сила как бы давит на сооружение сверху и прижимает его ко дну каретки. Но ведь именно в таких же условиях будет находиться и само построенное сооружение: сила тяжести грунта будет непрестанно давить на его основание.

Таким образом, с известным перерасчетом и ограничением можно уподобить центробежную силу, развивающуюся в каретке, силе тяжести грунта, действию которой подвергается земляное сооружение. При этом если модель, скажем, в 100 раз меньше действительного сооружении, то для правильного воспроизведения сил требуется центробежная сила, в 100 раз. превышающая вес этой модели.

Учитывая масштабы наших моделей и быстроту вращения (а следовательно, и величину центробежной силы), мы можем как бы увеличивать или уменьшать тяжесть грунта, вернее, его давление на основание. При этом, пожалуй, самым интересным оказывается то, что все перемещения и деформации происходят на модели значительно быстрее, чем в действительности. Расчет показывает, что в случае, когда модель в 100 раз меньше сооружения, ее деформации ускоряются в \(100^2=10\) тыс. раз! Так мы за какой-нибудь час узнаем, как будет вести себя сооружение в течение ряда лет.

Центрифуга представляет собой огромное коромысло длиной в 3,14 м. Оно вращается мотором в 10 л. с. Скорость его вращения может быть доведена до 500 оборотов в минуту. При этой скорости каждая каретка за минуту проходит путь в 4,92 км, или около 300 км в час, т. е. мчится вокруг своей оси с быстротой современного самолета.

Старший научный сотрудник Фундаментстроя инж. И. С. Федоров, конструктор данной машины и регистрирующей аппаратуры, проверяет монтаж механизмов на каретке центрифуги.

Модельный фундамент дымовой трубы. Сосуд с двумя воронками загружается ртутью. (См. нижний рис.)

Какое же давление будет испытывать модель сооружения при такой скорости?

Эго легко высчитать. Предположим, что общий вес грунта модели вместе с кареткой — 80 кг, а площадь основания каретки — \(50\times50=750\) кв. см. Центробежная сила, действующая на основание модели, в переводе на силу тяжести будет равна 40 т, т. е. 53 кг на 1 кв. см.

Учитывая масштабы, мы регулируем скорость вращения и тем самым ставим модель сооружения в те условия, которые нам необходимы. Если при этом модель не будет разрушаться, то и сооружение окажется достаточно прочным.

Регистрирующий осадку механизм установлен в соседнем с центрифугой помещении. Самые ничтожные осадки модели на вращающейся центрифуге передаются электрическим способом этому механизму и записываются автоматически в виде соответствующего графика.

Центральный блок машины. При полной скорости вращения горизонтальная ферма машины испытывает растягивающее усилие в 76 т (вес груза, перевозимого 30 грузовыми машинами ЗИС). (См. нижн. рис.)

С помощью центрифуги были проверены расчеты многих проектов крупнейших земляных сооружений канала Москва—Волга. До последнего времени машина, работавшая на строительстве этого канала, была самой большой в мире. Однако недавно трест Фундаментстрой построил в Москве еще большую машину: общая величина центробежных сил, действующих в этой машине, доходит до 80 т с лишним. Это все равно, как если бы на коромысла машины действовал груз 5 товарных вагонов с каждой стороны.

Один из лабораторных корпусов в Дмитрове, показанный в частичном разрезе. В подземном помещении расположена большая центрифуга. Это сделано из предосторожности, на случай аварии, потому что оторвавшаяся каретка или иная деталь может при быстром вращении произвести разрушения, подобные разрушениям от удара артиллерийского снаряда. Рядом с центрифугой помещаются мотор и коробка скоростей. В надземной части расположены лаборатории. В правой части здания виден в полу люк и над ним лебедка для подъема кареток центрифуги в лабораторию, где строятся модели сооружений.