Автореферат диссертации (Напряжённо-деформированное состояние грунтовых плотин с противофильтрационными элементами из материалов на основе цемента), страница 4

Однако для того, чтобы учесть последовательностьвозведения и нагружения сооружения, а также нелинейность деформированиясреды, эта система формировалась и решалась не один, а несколько раз,отдельно для каждого из расчётных моментов времени.Алгоритм решения задачи НДС состоит из 3 циклов, вложенных друг вдруга.Первый (внешний) цикл – это цикл по ряду моментов времени (этапов),отражающих изменение расчётной схемы сооружения. Он позволяет учестьпоследовательность возведения сооружения и приложения к нему нагрузок.Второй цикл – это цикл по траекториям и стадиям приложения нагрузкив рамках одного момента времени.

Сначала выполняется расчёт для траекторииразгрузки (упругого деформирования), по результатам которого выделяется тачасть приложенных сил, которая воспринимается грунтом как активноенагружение. Далее осуществляется расчёт для траектории активногонагружения. Он ведётся на ранее определённую часть приложенных сил. Какправило данный расчёт осуществляется в несколько стадий, чтобы более точновоспроизвести нелинейность деформирования грунтов монотонного характера.На каждой из стадий расчёта к сооружению прикладывается часть (доля)внешних сил и решается задача об изменении НДС сооружения.Деформативные свойства материалов изменяются на каждой из стадий расчётав соответствии с их моделью.

Приложение внешних нагрузок частямипозволяет заменить решение нелинейной задачи на решение ряда линейныхзадач и не использовать итерационный процесс при её решении.Третий (внутренний) цикл – это цикл итераций в рамках каждой изстадий (долей) приложения нагрузки. Итерационный процесс необходим дляучёта проявлений эффектов нелинейного поведения грунтов и контактов,который характеризуется резким, скачкообразным характером изменения. Ктаким эффектам относится, например, “отлипание” контакта при нарушениипрочности на растяжение, проскальзывание контакта при нарушении его14прочности на сдвиг, а также нарушение целостности грунта при нарушениипрочности на растяжение. В рамках итерационного процесса матрицажёсткости системы остаётся неизменной, а учёт нелинейности осуществляетсяметодом переменного вектора сил.Тестирование созданной вычислительной программы проводилось напримере решения простых задач путём сравнения с аналитическим решениемили с решением, полученным с помощью сертифицированного программногокомплекса ANSYS.

Оно подтвердило пригодность созданной вычислительнойпрограммы.Созданная вычислительная программа позволяет вести расчётсооружения на нагрузки, созданные фильтрационным потоком итемпературным воздействием. Для определения фильтрационных нагрузокбыла создана вычислительная программа, которая позволяет решать задачи остационарном фильтрационном режиме сооружения, используя ту же конечноэлементную модель, что и для задачи НДС.Глава 4 посвящена исследованиям работы противофильтрационныхконструкций, устроенных методом «стена в грунте».

С помощью численногомоделирования было исследовано НДС противофильтрационных стен,выполненных как в основании, так и в теле грунтовых плотин.При расчётах НДС противофильтрационных стен учитываласьтехнологическая схема их возведения. Сначала рассматривался моментвремени, когда свая или траншея заполнена незатвердевшим материалом ивоспринимает собственный вес, имея возможность проскальзыватьотносительно стенок прорези. А уже затем, когда её материал набрал нужнуюпрочность, в последующий момент времени на стену прикладывались внешниенагрузки.При исследованиях решался вопрос о выборе материала стены. Напрактике для устройства противофильтрационных стен часто используютглиноцементобетон, содержащий помимо цемента бентонит.

Добавлениебетонита позволяет снизить деформируемость материала стены, но снижает егопрочность. В зависимости от содержания бентонита деформативные ипрочностные свойства глиноцементобетона изменяются в широком диапазоне.Соответственно и возникает дилемма выбора материала для стены. В данномисследовании рассматривался ряд вариантов материалов от литогоглиноцементобетона (модуль деформации E100 МПа) до железобетона(E=29000 МПа).Для оценки прочности глиноцементобетона использовалась эмпирическаязависимость между модулем деформации E (МПа) и прочностьюглиноцементобетона на одноосное сжатие R1, полученная путём обработкирезультатов экспериментов (рисунок 3), выполненных А.В.Радзинским.

Онавыражается следующей формулой:R1  0,29 E0,32 .(4)15При оценке прочностиглиноцементобетонаучитывалсяэффектповышения его прочности насжатиеприналичиибоковогообжатия,установленныймногочисленнымиэкспериментами.Дляопределения прочности сучётомобжатияRиспользоваласьформула,полученнаяизтеорииКулона-Мора:Рисунок 3 - Эмпирическая зависимость между1  sin деформируемостью и прочностью,(5)R  R1  1глиноцементобетона на сжатие1  sin где 1 – напряжение обжатия,  – угол внутреннего трения. как правило находится в диапазоне 30÷40.Исследования работы противофильтрационных стен в основаниигрунтовых плотин были проведены на примере трёх реальных плотин:Юмагузинской (Россия), Керхе (Иран), Сиалонгди (Китай), а также для рядаметодических задач.

Нами было установлено, что основной особенностьюработы стен, выполненных в основании грунтовых плотин, является наличиезначительных вертикальных продольных сжимающих усилий, которыеобразуются вследствие осадок основания под весом плотины. Чем выше модульдеформации материала стены Eст по сравнению с модулем деформации грунтаоснования Eгр, тем больше в нёмвертикальныесжимающиенапряженияy.Однакоэтазависимостьнепрямопропорциональна (рисунок 4), она«отстаёт» от линейной зависимости.Нами было установлено, что дляопределениямаксимальныхзначений y на начальном интервалеEст/Eгрможетприменятьсяэмпирическая степенная функция:Рисунок 4 - Характер измененияn maxEyсжимающих напряжений и прочности A  ст  .(6)стены в зависимости модуляp E гр деформации её материала.Здесь p – давление, котороеКрасная линия соответствуетпередаётся плотиной на основание,напряжениям, синяя – прочности.A, n – эмпирические величины.16Величины A и n во многом определяются влиянием граничных условий(висячая стена или опёртая на жёсткое основание).

В стенах-стойках уровеньсжатия выше, чем в висячих стенах. При отсутствии дополнительныхвертикальных усилий, передаваемых на стену, A=1. Величина n во многомопределяется деформативными и прочностными свойствами окружающихгрунтов. Величина n всегда меньше 1. Для стен в полускальных икрупнообломочных грунтах основания n0,7÷0.8. maxEyОсновная причина нелинейности зависимости междуи ст состоитE грpв том, что стена работает как свая – она имеет возможность компенсироватьуровень сжатия путём передачи нагрузки на окружающие грунты через боковоетрение или через лобовое сопротивление по торцам.Было выявлено, что большое значение на формирование НДС стеныимеет трение между стеной и окружающим грунтом.

При повышеннойжёсткости стены разность осадок между стеной и грунтом нарастает ипроисходит проскальзывание грунта относительно стены за счёт потерипрочности контакта на сдвиг. Потеря прочности контакта происходитпостепенно, сверху, где сопротивление сдвигу меньше, вниз.

За счёт этого внижней части концентрируются значительные сжимающие напряжения(рисунок 5).а) Вертикальные нормальные напряжения y:б) Осадки (Uy):E стE стE стE ст=1 =5 10 >50E грE грE грE грРисунок 5 - Изменение формы эпюры вертикальных напряжений и эпюрыосадок висячей стены с ростом жёсткости её материала.Красным цветом заштрихована зона накопления сжимающих напряжений,синим – зона уменьшения сжимающих напряжений. Пунктирной линиейпоказана эпюра осадок грунта.17Из-за проскальзывания существует предел роста сжимающих напряженийв стене (рисунок 4) и граница применимости степенной зависимости (6).

Этотпредел соответствует случаю, когда проскальзывание происходит по всейдлине контакта. Это характерно для случая применения в стене очень жёсткихматериалов (примерно Eст/Eгр>50). maxEyДля описания характера нелинейной зависимости междуи ст наE грpвсём диапазоне жёсткости её материала была предложена следующая функция:maxB Eстy,(7)B / A  1Eгр  Eстpгде A, B – эмпирические коэффициенты, которые могут быть приближенноопределены из простых аналитических расчётных схем.Анализ показывает, что при увеличении жёсткости материала стенысжимающие напряжения в нём растут интенсивнее нежели, чем увеличиваетсяего прочность на сжатие (показатель степени n>0,32), поэтому применениежёстких материалов в стене нецелесообразно (рисунок 4). Можнорекомендовать использовать материалы, для которых Eст/Eгр не более 25.Часто применение литого глиноцементобетона с E=100÷200 МПаоказывается наиболее целесообразным.

В случае применения этого материалабоковоеобжатиестенысущественноувеличиваетпрочностьглиноцементобетона на сжатие и создаёт необходимый запас прочности.Наиболее неблагоприятны условия работы стены в тех зонах, где боковоеобжатие отсутствует.Однако существуют случаи, когда допустимо применять дляпротивофильтрационных стен и железобетон. Такое возможно при небольшойглубине стен и при слабом развитии изгибных деформаций.Изгибные деформации, которые возникают при восприятии стенамигоризонтальных фильтрационных сил, представляют опасность для надёжностипротивофильтрационных стен, выполненных из жёстких материалов.Деформации изгиба могут привести к появлению в стене значительныхрастягивающих напряжений и образованию трещин отрыва. По этой причинене рекомендуется использование железобетона для устройства стен.

ПриEст/Eгр<50 изгибные деформации мало влияют на напряжённое состояниестены.Исследования показали, что неблагоприятные условия работы стеныимеют место при неоднородном строении грунтового массива. В слояхповышенной деформируемости образуются зоны концентрации сжимающихнапряжений y, а на границах слоёв стена испытывает дополнительныеизгибные деформации. НДС стены в неоднородном основании может оказатьсядаже хуже, чем в случае, если основание – однородно и сложено самым слабымиз грунтов. В случае неоднородного строения основания материал стеныдолжен практически совпадать по своей деформируемости с самым слабым извмещающих его грунтов.18Нежелательным при устройстве стен является их сопряжение с теломплотины в виде высоких тонких консолей.

Консоли концентрируют в себезначительные сжимающие усилия, которые могут ухудшить НДС стены, атакже могут ненадёжно работать при восприятии горизонтальных смещений.Рекомендуется сопрягать стену с телом плотины путём устройства надоголовком стены бетонной галереи (с устройством зазора между ними).Исследования пространственной работы противофильтрационной стены восновании Юмагузинской плотины показали, что стены могут испытыватьизгибные деформации даже в плоскости самой стены. Такие деформациивозникают в том случае, если осадки основания неравномерно распределенывдоль створа. В этих условиях в стене могут возникнуть растягивающиенапряжения в направлении от борта к борту.Исследования работы противофильтрационных стен, устраиваемых в телегрунтовых плотин, были проведены для двух случаев.

Первый – когда методом«стена в грунте» устраивается новый противофильтрационный элементплотины взамен вышедшего из строя глинистого ядра. Второй случай – когда«стенавгрунте»изначальноустраиваетсякакосновнойпротивофильтрационный элемент грунтовой плотины.Расчёты показали, что отличительной особенностью стен, устраиваемых втеле грунтовых плотин является то, что чаще всего они не испытываютсжимающих продольных усилий, а работают только на изгиб.

Поэтому длятаких стен наибольшую опасность представляют растягивающие напряжения,которые могут возникнуть в стене в результате её изгиба под действиемгоризонтальных сил.Исследования условий работы стены в теле аварийной плотины былипроведены на примере Курейской плотины, в глинистом ядре которой летом1992 года образовались сквозные трещины. Для ремонта плотины методомбуросекущихся свай была возведена стена из литого глиноцементобетона. 100НПУ 94,5 83,113 80 74,824 54,5Рисунок 6 - Конструкция плотины в расчётном сечении (ПК 7+27).1 – ядро плотины из суглинка; 2 – зоны нарушений в ядре плотины; 3 – упорнаяпризма из горной массы; 4 – местоположение противофильтрационной стены,выполненной для ремонта плотины.19Особенностьюработыпротивофильтрационныхстенвтелеремонтируемой плотины является то, что горизонтальные нагрузки на неёпередаются уже тогда, когда её материал не затвердел, – возведениеводонепроницаемой стены изменяет картину фильтрации через аварийнуюстену.