Диссертация (Напряжённо-деформированное состояние грунтовых плотин с противофильтрационными элементами из материалов на основе цемента), страница 10

Поэтому приисследовании работы грунтовых сооружений с негрунтовыми конструкцияминеобходимо использовать нелинейные модели деформирования. Для контактноговзаимодействия твёрдых тел также характерно проявление нелинейных эффектов(проскальзывание, отрыв), т.к. эти контакты сами по себе представляют собойнарушения сплошности в среде. Необходимо иметь модель поведения контактов,которая позволяла бы учитывать эти эффекты.Поэтому прежде чем создавать методику и алгоритм расчёта НДСнеобходимо определится со свойствами рассматриваемой среды и принять какуюлибо модель её поведения.

Этому и посвящена данная глава.2.3. Анализ деформативных свойств крупнообломочных грунтовОб экспериментальных исследованиях деформирования грунтов.Основными особенностями деформирования грунтов, которые должныописывать модели грунтов, являются: наличие в большинстве случаев пластических деформаций; резкое различие характера деформирования при так называемомактивном нагружении и при разгрузке. При активном нагружении проявляютсяпластические свойства, а при разгрузке грунт чаще всего деформируется линейно; причиной разрушения грунта при сжатии является потеря сдвиговойпрочности;51 связь характера деформирования с прочностным состоянием – приприближении грунта к предельному состоянию его деформации резко возрастают; очень малая величина прочности на растяжение, по достижении которойрастягивающими напряжениями грунт разрушается, большое влияние на прочность и деформируемость грунта его боковогообжатия, которое приводит к эффекту «упрочнения», ползучесть грунтов, т.е.

появление с течением времени дополнительныхдеформаций без дополнительных нагрузок, наличие дилатансии при сдвиговых деформациях, т.е. изменение объёмагрунта при сдвиге, происходящее даже при неизменном всестороннем обжатии.Все эти особенности проявляютсяпри стандартных испытаниях грунтов встабилометре и одометре. В одометрахгрунт испытывают на сжатие в отсутствиевозможности бокового расширения. Болееполноепредставлениеоповедениигрунтов дают эксперименты в приборахтрёхосногосжатия.Постандартнойметодике стабилометрических испытанийцилиндрическийподвергаютобразецсначалавсестороннемуобжатию1  2  3  0 , а затем наращиваютвертикальнуюнагрузку1принеизменных 1  2  0 до разрушенияобразца.

В результате получают паспортгрунта,схематичнопоказанныйнаРисунок 2.1 - Схема паспорта грунта,построенногодлястандартногостабилометрического испытания притрёхосном сжатии1 – участок нагружения совсесторонним обжатием, 2 – участокнагружения с ростом вертикальногонапряжения(девиаторноенагружение).  – угол внутреннеготрения грунтарисунке 2.1.

На нём отображена зависимость между средним напряжением ,интенсивностью касательных напряжений T, объёмной деформацией e иинтенсивностьюкасательныхдеформацийГ.Паспортгрунтаотражает52нелинейный характер деформирования грунта на участках всестороннего сжатия(-е) и девиаторного нагружения (Т-Г). Дилатансия проявляется в виденелинейной зависимости между объёмной деформацией e и интенсивностьюдеформаций формоизменения Г. Разрушение образца происходит в виденеограниченного роста Г.К настоящему времени накоплен большой экспериментальный материал поисследованию свойств нескальных грунтов в приборах трёхосного сжатия, чтопозволилоисследователямстроитьмоделигрунтов.Выполненыстабилометрические испытания и крупнообломочных грунтов [Marsal; AghaeiAraei, Soroush, Rayhani; Li, Wang, Mi, Li; Marachi, Chan, Seed; Gupta; Soroush,Jannatiaghdam; Thiers, Donovan; Varadarajan, Sharma, Venkatachalam, Gupta; Vesic,Clough; Chavez, Alonso; Linero, Palma, Apablaza], выявившие их основныеособенности.Однако, несмотря на это, надёжных экспериментальных данных о свойствахкрупнообломочных грунтов практически нет.

Это объясняется трудностьюпроведенияэкспериментовскамнем.Максимальныйразмерчастицкрупнообломочных грунтов достигает сотен миллиметров. Чтобы исследоватьтакие грунты, нужны крупномасштабные лабораторные установки. При этомданные установки должны позволять вести испытания при тех большихдавлениях, которые испытывает камень в теле грунтовой плотины (до 2-5 МПа).Такие испытательные стенды очень дороги, поэтому обычно вместо реальныхкрупнообломочных грунтов на приборах меньшего масштаба испытывают ихмелкозернистые аналоги – модельные грунты.Исследования, выполненные на модельных грунтах, часто не в полной мереотражают поведение реальных грунтов в теле плотины.

Это вызвано несколькимипричинами:1) Отличие зернового состава модельного грунта от реального. Висследованиях [Linero, Palma, Apablaza] было наглядно показано, что ограничениекрупности модельного грунта приводит к снижению его модулей сдвига. Этотэффект, по всей видимости, характерен для экспериментальных исследований53гравийно-галечникового грунта, проведённых Гупта [Gupta; Varadarajan, Sharma,Venkatachalam, Gupta];2) Плотность сложения исследуемых грунтов отличается от плотностиреальных, поэтому их свойства, полученные экспериментально, нельзя относить ксвойствам реальных грунтов тела плотины.Соответственно результаты этих экспериментов не пригодны для расчётовплотин.

Можно использовать только экспериментальные данные, полученныеМарсалом [Marsal; Гольдин, Рассказов], Марачи [Marachi, Chan, Seed], Гупта[Gupta; Varadarajan, Sharma, Venkatachalam, Gupta], Линеро [Linero, Palma,Apablaza] и частично данные экспериментов, выполненных во ВНИИГим.

Б.Е.Веденеева.Все эти исследования проводись на приборах трёхосного сжатия, постандартной методике. Исследования Марсала [Гольдин, Рассказов] проводилисьв 1960-х годах в Мексике при строительстве плотины Инфернильо. Для них былипостроены специальные крупномасштабные приборы трёхосного сжатия, которыепозволяли проводить испытания в широком диапазоне давлений обжатия.Примерно в это же время Марачи проводил эксперименты при строительстве двухвысоких плотин в Калифорнии (США) – Оровилл и Пирамид [Marachi, Chan,Seed].

Исследования проф. Гупта проводились для плотин Ранджит Сагар иПурулия в Индии [Gupta; Varadarajan, Sharma, Venkatachalam, Gupta]. Во ВНИИГим. Б.Е.Веденеева в 1990-х годах проводились исследования для грунтовНурекской плотины, плотины Тери и плотины Зарамагской ГЭС. Использовалсякрупномасштабный прибор ПТС-300.В XXI веке исследования свойств крупнообломочных грунтов былипроведены в Чили для плотины New Andina [Linero, Palma, Apablaza] насовременном крупномасштабном приборе.Однакоиз-затехническихограниченийпроведенииэкспериментов(таблица 2.1) только исследования Марсала, Марачи и Линеро относятся креальным грунтам, а остальные – к крупнозернистым, но всё же модельнымгрунтам.54Таблица 2.1 - Параметры испытаний крупнообломочных грунтов в стабилометрахразмеры образцов, ммдиаметрвысотаМаксимальнаякрупностьчастиц, ммМарсал113025001800,052,5МарачиГупта700-910381813до 15025-800,24,4до 1,4ВНИИГ30065060до 2,0ЛинероЧавез1000250200050020040до 2,5до 1АвторэкспериментовМаксимальноенапряжениеобжатия, МПаНо даже эти масштабные эксперименты обладают существенныминедостатками.Первый недостаток – это отсутствие данные о деформировании грунтов научастке всестороннего сжатия.

В исследованиях Марсала, Гупта, Линеро этиданные отсутствуют. Это, по-видимому, с неточностями в измерениях объёмныхдеформаций, которые часто наблюдаются в приборах трёхосного сжатия.Второй недостаток – это то, что исследуемые грунты не соответствуют поплотностям сложения грунтам тела плотины. Также можно отметить, чтоисследованныещебенистыегрунтыпосвоемузерновомусоставунесоответствуют горной массе тела плотины.В испытаниях Марсала об плотность горной массы составляла 1,7 т/м3, а виспытаниях Линеро – 1,85 т/м3.

Это – недостаточно уплотнённый грунт, внастоящее время при строительстве плотин горную массу укладывают сплотностью 1,95-2,15 т/м3. В исследованиях ВНИИГ щебенистые грунты такжеисследовались при низких плотностях сложения. Только в опытах Марачиисследовался грунт, приближённый по плотности к реальным грунтам.Для практического использования результатов экспериментов нами былапроведена работа по их преобразованию к условиям работы грунта в плотине.55Экспериментальные данные о деформируемости крупнообломочныхгрунтов при всестороннем сжатии.В данных Марачи [Marachi, Chan, Seed] имеются данные об испытанияходного гравийно-галечникового грунта (разнозернистый грунт плотины Оровилл)и трёх испытаниях щебенистых грунтов (дроблёный базальт и грунт плотиныПирамид) (рисунок 2.2). Исследованный грунт плотины Оровилл имел плотность2,23 т/м3, а щебенистые грунты – плотность почти 1,9 т/м3.ВоВНИИГисследовалисьмодельные смеси двух щебенистыхгрунтов (для Нурекской плотины иплотины Тери) (рисунок 2.3) и четырёхгравийно-галечниковых(рисунок 2.4).частьОднакоимелагрунтовбольшаянизкуюихплотность.Например, щебенистый грунт плотиныТериимелНурекской1.7 т/м3,плотностьплотины–Гравийно-галечниковыеа1,79 т/м3.Рисунок 2.2 - Результаты испытанийгрунтовнаучасткевсестороннегосжатия (опыты Марачи)грунтыисследовались при более высоких плотностях: Нурекский галечник – 2,1 т/м3,Зарамагской плотины – 2,10 и 2,19 т/м3, Тери – 2,28 т/м3.

Соответственноплотности деформируемость при объёмном сжатии у всех грунтов сильноразличалась.Чтобы привести результаты экспериментов к реальным условиям работы, мыпривели модельные грунты к той плотности, которую имеет грунт в телеплотины. В качестве «эталонной» плотности была принята плотность 1,95 т/м3для горной массы и не менее 2,20 т/м3 для гравийно-галечникового грунта.Для этого на каждой компрессионной кривой e=f() находилась точка накомпрессионнойкривой,соответствующаязаданнойплотности,котораястановилась её новым началом.

Эта точка соответствует объёмной деформации eн56eн 0  1  0(2.1)здесь 0 – начальный коэффициент пористости (до нагружения), – коэффициент пористости, соответствующий заданной плотности.Рисунок 2.3 - Результаты испытаниймодельных щебенистых грунтов привсестороннем сжатии (опыты ВНИИГ)Рисунок 2.4 - Результаты испытаниймодельныхгравийно-галечниковыхгрунтов при всестороннем сжатии(опыты ВНИИГ)Описанным способом мы получили семейство новых компрессионныхкривых для щебенистых (рисунок 2.5) и гравийно-галечниковых грунтов(рисунок 2.6). В них сжимаемость модельных грунтов была существенно меньше,чем в исходных. По своей деформируемости они стали близки к грунтам,испытанным Марачи.Рисунок 2.5 - Кривые деформацийщебенистых грунтов при всестороннемсжатииРисунок 2.6 - Кривые деформацийгравийно-галечных грунтов привсестороннем сжатии57Исходныеиполученныекривыедеформацийгрунтовнаучасткевсестороннего сжатия хорошо описываются степенной формулой [Гольдин,Рассказов]:neE0(2.2)Здесь E0 – модуль объёмного сжатия при единичном напряжении,n – показатель степени.Параметры E0 и n , найденные для кривых e=f(), приведены в таблице 2.2.