Автореферат диссертации (Напряжённо-деформированное состояние грунтовых плотин с противофильтрационными элементами из материалов на основе цемента)

на правах рукописиСаинов Михаил ПетровичНАПРЯЖЁННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕГРУНТОВЫХ ПЛОТИН С ПРОТИВОФИЛЬТРАЦИОННЫМИЭЛЕМЕНТАМИ ИЗ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ЦЕМЕНТА05.23.07 – Гидротехническое строительствоАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание учёной степенидоктора технических наукМосква – 2017РаботавыполненавФедеральномгосударственномбюджетномобразовательномучреждениивысшегообразования«Национальныйисследовательский Московский государственный строительный университет».Официальные оппоненты:Беллендир Евгений Николаевич,доктор технических наук,АО «Институт Гидропроект»,генеральный директорБолдырев Геннадий Григорьевич,доктор технических наук, профессор,ФГБОУ ВО «Пензенский государственныйуниверситет архитектуры и строительства»,кафедра «Геотехника и дорожное строительство»,профессорГорохов Евгений Николаевич,доктор технических наук, доцент,ФГБОУ ВО «Нижегородский государственныйархитектурно-строительный университет»,кафедра «Оснований, фундаментов и инженернойгеологии», заведующий кафедройВедущая организация:Акционерное общество «Всероссийскийнаучно-исследовательский институтгидротехники имени Б.Е.Веденеева»Защита состоится «18» сентября 2018 г.

в 14:00 (по местному времени) назаседании диссертационного совета Д 212.138.03, созданного на базеФедерального государственного бюджетного образовательного учреждениявысшего образования «Национальный исследовательский Московскийгосударственный строительный университет» по адресу: 129337, г. Москва,Ярославское шоссе, д.26, 9 студия «Открытая сеть».С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федеральногогосударственного бюджетного образовательного учреждения высшегообразования «Национальный исследовательский Московский государственныйстроительный университет» и на сайте www.mgsu.ru.Автореферат разослан «___» ___________ 2018 г.Ученый секретарьдиссертационного совета_______________(подпись)2БестужеваАлександра СтаниславовнаОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫРабота посвящена исследованиям напряжённо-деформированногосостояния противофильтрационных элементов, выполненных из материалов наоснове цемента, в основании и теле грунтовых плотин, а также анализуработоспособности их конструкций.

Исследования проведены путёмчисленного моделирования.Актуальность темы исследования обусловлена расширениемприменения негрунтовых противофильтрационных элементов (далее – ПФЭ) вконструкциях грунтовых плотин и потребностью в создании новых, болеесовершенных и надёжных ПФЭ для высоких грунтовых плотин. Основнымипреимуществами негрунтовых ПФЭ являются возможность применения влюбых климатических условиях и возможность регулирования свойств ихматериалов.

Для устройства негрунтовых ПФЭ грунтовых плотин частоприменяются материалы на основе цемента – бетон, глиноцементобетон,грунтоцементные смеси и др. Это железобетонные экраны каменно-набросныхплотин, диафрагмы (стены), выполненные в основании или теле грунтовыхплотин методом «стена в грунте», а также цементационные завесы и другиевиды ПФЭ.Каменно-набросные плотины с железобетонным экраном в настоящиймомент являются одним из наиболее перспективных типов грунтовых плотин,они часто строятся в странах Азии и Латинской Америки, могут достигатьзначительной высоты и применяться в самых различных условиях.

Актуальнымявляется вопрос о возможности применения каменно-набросных плотин сжелезобетонным экраном (далее – ЖБЭ) для строительства крупныхгидроузлов на востоке России, в слабо освоенных районах с суровым климатом.Конструкции, возводимые методом «стена в грунте», также очень активноприменяются для создания ПФЭ плотин. Этим способом устраиваютсяпротивофильтрационные стенки (завесы) для борьбы с фильтрацией восновании плотин, а также в теле тех грунтовых плотин, которые требуютремонта. Актуальным является вопрос о возможности устройства методом«стена в грунте» противофильтрационных диафрагм во вновь строящихсявысоких грунтовых плотинах.Однако применение каменно-набросных плотин с железобетоннымэкраном, грунтовых плотин с диафрагмами, устроенными методом «стена вгрунте», плотин с цементационными завесами сдерживается недостаточнойизученностью условий работы этих ПФЭ, а также отсутствием гарантийобеспечения их прочности и трещиностойкости.

В частности, вжелезобетонных экранах ряда современных сверхвысоких плотинобразовывались трещины, которые могли привести к разрушению этих плотин.Актуальным является вопрос о выявлении причин возможного нарушенияпрочности в тонкостенных негрунтовых ПФЭ.Цель работы заключается в научном обосновании конструкций грунтовыхплотин с негрунтовыми ПФЭ, в формулирования принципов ихпроектирования, а также создании методики их расчётного обоснования.3Степень разработанности темы.

Научное обоснование проектированиянегрунтовых ПФЭ в составе грунтовых плотин, его методология в настоящеевремя разработаны недостаточно. В настоящий момент для расчётов иисследований грунтовых плотин с негрунтовыми ПФЭ применяютсяразнообразные вычислительные программные комплексы с широкимивозможностями (DIANA, PLAXIS, ANSYS и др.). Путём численногомоделирования (методом конечных элементов) они позволяют решать задачи онапряжённо-деформированном состоянии (далее – НДС) сооружений как вплоской, так и в пространственной постановке, с учётом нелинейностидеформирования грунтов и взаимодействия грунтового массива снегрунтовыми конструкциями.Однако задачи о работе жёстких тонкостенных конструкций в грунтовоммассиве имеют определённые особенности, отличающие их от решения другихподобных задач. Во-первых, результат решения этих задач в значительнойстепени зависит от того, насколько точно модель сооружения и методикавыполнения расчётов отражают особенности работы реального сооружения.При расчётах необходимо учитывать нелинейный характер взаимодействиянегрунтовых конструкций между собой и с грунтовыми массивом, нелинейныйхарактер деформирования грунтовой среды, последовательность возведения инагружения сооружения и многие другие факторы.

По этим причинам задачи оработе жёстких конструкций в грунтовом массиве могут быть решены толькопутём численного моделирования. Во-вторых, решение этих задач путёмчисленного моделирования представляет определённые трудности. Основнаясложность состоит в обеспечении требуемой точности результата решениязадачи. Это связано со значительным различием жёсткости между грунтовыммассивов и негрунтовыми конструкциями, а также малой толщиной последних(в случае ЖБЭ или диафрагмы).В настоящее время отсутствует полноценный анализ условий работыжёстких противофильтрационных конструкций в высоких грунтовых плотинах.Исследования НДС противофильтрационных стен в основании и телегрунтовых плотин очень редки, а имеющиеся примеры ограничиваютсярешением конкретных задач (Радзинский А.В., Дао Туан Ань, Ding, Zhang).Общей теории работы противофильтрационных стен в основании и телегрунтовых плотин на данный момент не создано.

Не до конца решённымявляетсяодинизважнейшихвопросовпроектированияпротивофильтрационных стен – вопрос о выборе материала для их устройства.Исследования НДС ЖБЭ каменно-набросных плотин выполняютсясущественно чаще. Этому вопросу посвящены работы ряда зарубежныхавторов (Arici, Özel, Mohsen Ghadrdan, Bin Xu и др.). Однако результаты этихисследований довольно противоречивы. В практике проектирования бытуетмнение, что железобетонные экраны находятся в состоянии двухосного сжатия,которое не объясняет факты образования трещин в экранах некоторых плотин.На данный момент причины трещинообразования в ЖБЭ каменно-набросныхплотин не выявлены. Кроме того, не оценено влияние различных факторов на4НДС ЖБЭ, не решён ряд принципиальных вопросов проектирования плотинданного типа.Не исследованы вопросы о НДС плотин с ПФЭ в виде инъекционныхзавес, а также плотин комбинированных конструкций.Цели и задачи.

Целями данной работы являются:- определение условий работы негрунтовых ПФЭ в теле и основаниигрунтовых плотин,- выявление причин и зон возможных нарушений их прочности,- формулирование рекомендаций по проектированию грунтовых плотинс негрунтовыми ПФЭ, выбору типа и совершенствованию их конструкций.Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:- создана методика численного моделирования НДС в рамках методаконечных элементов, которая позволяет адекватно воспроизводить совместнуюработу грунтовой плотины с негрунтовыми ПФЭ и учитывать все основныефакторы, определяющие НДС этих сооружений;- разработана вычислительная программа, которая реализует даннуюметодику и позволяет обеспечить необходимую точность получаемыхрезультатов;- проанализированы данные о деформируемости крупнообломочныхгрунтов тела высоких грунтовых плотин, установлен интервал изменения ихдеформативных свойств;- проведёнанализусловийработынегрунтовыхпротивофильтрационных стен в теле и основании грунтовых плотин, выявленовлияние жёсткости материала стены на её прочностное состояние, данырекомендации о выборе материала для противофильтрационных стен;- проанализированы условия формирования НДС каменно-набросныхплотин с железобетонными экранами, выявлены возможные причиныобразования трещин в ЖБЭ, исследовано влияние на НДС ЖБЭ различныхфакторов;- дана оценка влияния температурных воздействия на НДС и прочностьжелезобетонных экранов каменно-набросных плотин;- проанализирована работоспособность конструкций плотин смассивными ПФЭ, в т.ч.

с инъекционными завесами, даны рекомендации дляпроектирования плотин данного типа;- выполнен анализ условий работы грунтовых плотин с комбинациейПФЭ (железобетонный экран и диафрагма в виде «стены в грунте»), а такжеНДС комбинированной плотины;- проанализированаэффективностьпутейдальнейшегосовершенствования конструкций грунтовых плотин с негрунтовыми ПФЭ изматериалов на основе цемента;- сформулированы выводы и рекомендации по проектированию иметодике расчётного обоснования конструкций грунтовых плотин снегрунтовыми ПФЭ.Методология и методы исследований. Анализ работоспособностинегрунтовых ПФЭ в теле и основании грунтовых плотин, условий их работы5проводился на основе решения задачи об их НДС при статических нагрузках.НДС сооружений определялось путём численного моделирования методомконечных элементов.

Для определения фильтрационных нагрузок насооружения проводились расчёты фильтрации методом конечных элементов.При фильтрационных расчётах и расчётах НДС использовалась одна и та жеконечно-элементная модель сооружения.Все исследования проводились по созданной автором методике и спомощью вычислительных программ, созданных автором.