Диссертация (Напряжённо-деформированное состояние грунтовых плотин с противофильтрационными элементами из материалов на основе цемента), страница 3

На данный момент причинытрещинообразования в железобетонных экранах каменно-набросных плотин невыявлены. Кроме того, не оценено влияние различных факторов на НДС ЖБЭ, нерешён ряд принципиальных вопросов проектирования плотин данного типа.НДС грунтовых плотин с ПФЭ в виде инъекционных завес ещё неисследовалось вовсе.Отдельно следует упомянуть о том, что практически не исследованнымявляетсявопросоработеплотинскомбинациейПФЭиоработекомбинированных плотин.Поэтому цель данной работы – определение условий работы негрунтовыхПФЭ в теле и основании грунтовых плотин, выявление причин и зон возможныхнарушенийихпрочности,атакжеформулированиерекомендацийпопроектированию грунтовых плотин с негрунтовыми ПФЭ, выбору типа исовершенствованию 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 даннуюметодикуипозволяетобеспечитьнеобходимуюточностьполучаемыхрезультатов;- проанализированы данные о деформируемостикрупнообломочныхгрунтов тела высоких грунтовых плотин, установлен интервал изменения ихдеформативных свойств;13- проведён анализ условий работы негрунтовых противофильтрационныхстен в теле и основании грунтовых плотин, выявлено влияние жёсткостиматериала стены на её прочностное состояние, даны рекомендации о выборематериала для противофильтрационных стен;- проанализированы условия формирования НДС каменно-набросныхплотин с железобетонными экранами, выявлены возможные причины образованиятрещин в ЖБЭ, исследовано влияние на НДС ЖБЭ различных факторов;- дана оценка влияния температурных воздействия на НДС и прочностьжелезобетонных экранов каменно-набросных плотин;- проанализирована работоспособность конструкций плотин с массивнымиПФЭ, в т.ч.

с инъекционными завесами, даны рекомендации для проектированияплотин данного типа;- выполнен анализ условий работы грунтовых плотин с комбинацией ПФЭ(железобетонный экран и диафрагма в виде «стены в грунте»), а также НДСкомбинированной плотины;- проанализирована эффективность путей дальнейшего совершенствованияконструкций грунтовых плотин с негрунтовыми ПФЭ из материалов на основецемента;- сформулированы выводы и рекомендации по проектированию иметодике расчётного обоснования конструкций грунтовых плотин с негрунтовымиПФЭ.Методологияиметодыисследований.Анализработоспособностинегрунтовых ПФЭ в теле и основании грунтовых плотин, условий их работыпроводился на основе решения задачи об их НДС при статических нагрузках.НДС сооружений определялось путём численного моделирования методомконечных элементов.

Для определения фильтрационных нагрузок на сооруженияпроводилисьрасчётыфильтрацииметодомконечныхэлементов.Прифильтрационных расчётах и расчётах НДС использовалась одна и та же конечноэлементная модель сооружения.14Все исследования проводились по созданной автором методике и спомощью вычислительных программ, созданных автором. Автором былопоказано,чтоприрасчётахНДСгрунтовыхсооруженийжёсткимитонкостенными конструкциями приемлемой точности решения можно добитьсятолько путём применения для моделирования последних конечных элементоввысокого порядка.

С этой целью был предложен способ создания конечныхэлементов,которыйпозволяетсоздаватьвнихнеоднороднуюстепеньаппроксимации перемещений.Созданная методика расчётов позволяет учитывать нелинейный характердеформирования грунтов, а также контактов между элементами конструкциисооружения. Автором предложен и реализован алгоритм расчёта НДС грунтовогосооружения, который позволяет учитывать то, что в разных зонах грунтовогомассива деформирование грунта происходит по разным траектория нагружения(активное нагружение и/или разгрузка).Достоверность полученных результатов исследований обеспечивается, темчто- теориячисленногомоделированияНДСгрунтовыхсооруженийпостроена на использовании хорошо известного, теоретически обоснованного имногократно апробированного метода конечных элементов, а также наиспользовании закономерностей теории механики грунтов,- идея базируется на учёте при численном моделировании важнейшихфакторов, определяющих реальные условия формирования НДС негрунтовыхПФЭ и окружающего грунтового массива, на использовании эмпирическихданныходеформируемости,прочностигрунтовицементосодержащихматериалов,- при составлении численных моделей сооружений использованы конечныеэлементы повышенной точности,- длясоставлениячисленныхмоделейкаменно-набросныхплотиниспользованы данные о деформируемости каменной наброски, полученныедругими исследователями путём экспериментальных и натурных исследований,15- результаты численного моделирования согласуются с опубликованнымиданными натурных наблюдений за работой грунтовых плотин, а также срезультатами, полученными простыми аналитическими методами, и результатамирасчётов, проведённых с помощью сертифицированного программного комплексаANSYS,- установлено качественное и количественное совпадение результатовчисленного моделирования с имеющимися результатами натурных наблюдений, ав простых задачах – с результатами, полученными по программе ANSYS.Научная новизна работы состоит в следующем:- предложены принципы решения задач о НДС грунтовых сооружений снегрунтовыми конструкциями, показана обязательность учёта при расчётахнелинейного характера взаимодействия элементов конструкции плотины междусобой, а также технологической схемы возведения и нагружения сооружения,- разработаны методика и алгоритм численного решения задачи опространственном НДС грунтовых сооружений, которые позволяют наиболеедостоверно моделировать работу тонких жёстких конструкций во взаимодействиис грунтовым массивом,- разработана универсальная компьютерная программа, которая позволяетисследовать НДС грунтовых сооружений с тонкими жёсткими негрунтовымиконструкциями,- выявлены особенности НДС противофильтрационных стен в основании ителе грунтовых плотин – возможность возникновения в них значительныхсжимающих продольных усилий, изгиба в трёх плоскостях, выявлено влияние наНДС противофильтрационных стен неоднородности строения основания играничных условий,- выявленыпричиныизонывозможногонарушенияпрочностипротивофильтрационных стен (с учётом изменения прочности материала стены взависимости от вида напряжённого состояния), предложены меры, позволяющиеулучшить прочностное состояние противофильтрационных стен,16- выявлены особенности НДС железобетонных экранов каменно-набросныхплотин – возможность возникновения значительных растягивающих продольныхусилий в направлении вдоль откоса, значительных сжимающих напряжений внаправлении от борта к борту, а также изгиба в трёх плоскостях,- определеножелезобетонныхвлияниенаформированиепространственногоНДСэкранов каменно-набросных плотин различных факторов(геометрия створа, деформируемость каменной наброски, высота плотины ипоследовательность её возведения, разрезка деформационными швами и др.),- установлены причины и зоны возможного возникновения трещин вжелезобетонных экранах каменно-набросных плотин (за счёт нарушенияпрочности на растяжение и сжатие), предложены рекомендации по повышениюнадёжности работы железобетонных экранов,- установлена степень влияния температурных воздействий на НДСжелезобетонных экранов каменно-набросных плотин, обоснована возможностьприменения данного типа плотин в суровых климатических условиях,- выявленынегрунтовымиособенностиПФЭизНДСгрунтовыхцементосодержащихплотинматериаловсмассивными(экран,ядро,инъекционная завеса), определено влияние на их НДС различных факторов, данаоценка работоспособности этих видов ПФЭ,- обоснована возможность применения конструкций типа «стена в грунте» вкачестве противофильтрационных диафрагм грунтовых плотин, в т.ч.

высоких,- выполнена оценка работоспособности конструкции комбинированныхплотин, включающих в себя бетонное и грунтовое сооружения,- предложена и обоснована конструкция грунтовой плотины с комбинациейдвух тонкостенных негрунтовых ПФЭ (глиноцементобетонной диафрагмы ижелезобетонного экрана).Теоретическая значимость работы заключается в следующем:- применительнокпроблематикедиссертациирезультативноиспользовано численное моделирование для получения новых знаний о НДС и17работоспособностиразличныхвидовнегрунтовыхпротивофильтрационныхконструкций в основании и теле грунтовых плотин,- проведена модернизация численной методики исследований НДС жёсткихнегрунтовых конструкций в грунтовых сооружениях на основе метода конечныхэлементов, позволившая получить новые научные результаты,- изложены алгоритмы численного моделирования работы жёсткихнегрунтовых конструкций грунтовых плотин,- изучены особенности и раскрыты закономерности формирования НДСразличных типов негрунтовых ПФЭ (экраны, диафрагмы, завесы) грунтовыхплотин, изучено влияние различных факторов на их НДС,- изучено влияние характера пространственного напряжённого состоянияматериала противофильтрационных стен (глиноцементобетон) на его прочность,- выявлены (раскрыты) причины нарушения прочности в железобетонныхэкранах и других видах (как тонкостенных, так и как массивных) негрунтовыхПФЭгрунтовыхплотин,сформулированырекомендациипоповышениюнадёжности их работы,- обоснованавозможностьустройстваметодом«стенавгрунте»противофильтрационной диафрагмы в теле высокой грунтовой плотины,- обоснована возможность применения каменно-набросных плотин сжелезобетонными экранами в суровых климатических условиях.Практическая значимость работы состоит в следующем:- разработана вычислительная компьютерная программа, позволяющаяпроводитьисследованияНДСгрунтовыхсооруженийснегрунтовымиконструкциями (включая тонкостенные) с учётом истории формирования НДС инелинейного характера деформирования среды при восприятии нагрузок,- представлены результаты расчётного обоснования конструкций рядареальных грунтовых плотин с тонкостенными негрунтовыми ПФЭ,- представлены результаты анализа работоспособности типа высокойгрунтовой плотины с ПФЭ в виде инъекционной завесы, сформулированыусловия, при которых данный тип плотин может быть применён,18- представлены результаты анализа экспериментальных и натурныхданных о деформируемости каменной наброски,- обоснован низкий уровень работоспособности комбинированных плотин,состоящих из массивного бетонного сооружения и из грунтового сооружения сПФЭ в виде железобетонного экрана,- обоснованы преимущества применения грунтовой плотины с ПФЭкомбинированного типа, состоящего из железобетонного экрана и диафрагмы,возведённой методом «стена в грунте».- представленыпредварительныхэмпирическиестадияхзависимости,проектированияоценитьпозволяющиеНДСинапрочностьтонкостенных негрунтовых ПФЭ (экранов, диафрагм) в теле и основаниигрунтовых плотин, а также выбрать параметры ПФЭ, обеспечивающие ихработоспособность,- сформулированырекомендацииповыборуматериаладляпротивофильтрационных стен в основании и теле грунтовых плотин, дляинъекционных завес в нескальных грунтах,- сформулированы рекомендации по повышению работоспособности, поулучшению прочностного состояния различных видов негрунтовых ПФЭгрунтовых плотин,- представленыпредложенияподальнейшемусовершенствованиюконструкций грунтовых плотин комбинации негрунтовых ПФЭ разных видов.Положения, выносимые на защиту:- методика численных исследований НДСгрунтовых сооружений,включающих в себя жёсткие негрунтовые конструкции,- результаты анализа НДС негрунтовых ПФЭ в теле и основаниигрунтовых плотин, выводы о причинах возможного нарушения их прочности,- результаты анализа влияния различных факторов на НДС тонких имассивных негрунтовых ПФЭ грунтовых плотин, а также эмпирическиезависимости, отражающие это влияние,19- рекомендациипосовершенствованиюконструкцийплотинснегрунтовыми ПФЭ, по выбору материала для их устройства,- рекомендации по выбору конструкций плотин с комбинацией ПФЭ.Личный вклад автора заключается в постановке задачи исследований,разработке методики расчётов НДС грунтовых плотин с тонкостенныминегрунтовыми ПФЭ, создании реализующей её вычислительной программы,выполнении численных исследований, обработке, анализе и обобщении ихрезультатов, а также в формулировании выводов и рекомендаций.Апробация работы проводилась путём публикации статей в научныхжурналах и в виде докладов на научных конференциях.