Диссертация (1141446), страница 51
Текст из файла (страница 51)
Информация о численных исследованиях НДС каменно-набросныхплотин с железобетонным экраномЧисленное моделирование в настоящее время – это единственный путьисследованийнапряжённогосостоянияЖБЭивыявленияпричинтрещинообразования в нём. С помощью натурных наблюдений причиныобразования трещин в ЖБЭ в настоящее время установлены быть не могут, т.к.данные о напряжённом состоянии ЖБЭ отсутствуют. Натурные наблюдения восновном касаются лишь измерений перемещений и деформаций ЖБЭ.
Однакоданные натурных измерений плотин с ЖБЭ могут с успехом использоваться дляповышения точности математических моделей таких плотин.Численное моделирование поведения каменно-набросных плотин с ЖБЭ внастоящее время интенсивно развивается. Этому способствует появлениемощных вычислительных программных комплексов, которые позволяют решатьтакие сложные задачи, в т.ч. в пространственной постановке. Современныевычислительныепрограммыпозволяютпроводитьразличныечисленныеэксперименты, вести расчёты в пространственной постановке, учитыватьпоследовательность возведения сооружения, нелинейность поведения каменнойнаброски, наличие в экране швов и др.23Для расчётов грунтовых плотин с ЖБЭ исследователями используютсятакие программные комплексы как DIANA [Arıcı; Bin Xu, Degao Zou, Huabei Liu;Özel, Arici], PLAXIS [Özkuzukiran, Özkan, Özyazicioglu, Yildiz; Alemán Velásquez,Pantoja Sánchez, Villegas Lesso] и FLAC3D [Alemán Velásquez, Pantoja Sánchez,Villegas Lesso], GEODYNA [Bin Xu, Degao Zou, Huabei Liu].
Из них толькопрограмма DIANA позволяет решать лишь плоские задачи, остальные даютвозможность решать задачи в пространственной постановке.Большинство исследователей для описания поведения грунтов используютнелинейную модель грунта Дункана-Чанга, т.н. гиперболическую модель[Özkuzukiran, Özkan, Özyazicioglu, Yildiz; Dakoulas, Thanopoulos, Anastasopoulos;Wei Zhou, Junjie Hua, Xiaolin Chang, Chuangbing Zhou; Bin Xu, Degao Zou, HuabeiLiu]. Она позволяет учесть и упрочнение грунта при обжатии и возможностьнарушения прочности.
Реже используются модели пластического течения [Arici;Özel, Arici], иногда – модель Кулона-Мора [Alemán Velásquez, Pantoja Sánchez,Villegas Lesso]. Для описания поведения швов и контактов используется модельКулона.При расчётах как правило учитывается последовательность возведенияплотины с ЖБЭ. Рассматривается несколько этапов возведения каменной насыпи,затем моделируется возведение ЖБЭ и постепенное заполнение водохранилища[Dakoulas, Thanopoulos, Anastasopoulos; Arici; Wei Zhou, Junjie Hua, Xiaolin Chang,Chuangbing Zhou; Bin Xu, Degao Zou, Huabei Liu; Özel, Arıcı].Однако численное решение о НДС грунтовых плотин с ЖБЭ представляетопределённыесложности.Некоторыеисследователиограничиваютсяопределением перемещений каменной насыпи, а сам ЖБЭ не моделируют[Özkuzukiran, Özkan, Özyazicioglu, Yildiz; Wei Zhou, Junjie Hua, Xiaolin Chang,Chuangbing Zhou].
Основная сложность – это моделирование жёсткоготонкостенного элемента, которым является ЖБЭ. Для того, чтобы получатьдостоверные результаты о напряжённом состоянии ЖБЭ необходимо создаватьоченьподробныеконечно-элементныемоделиэкрана,чтоособеннозатруднительно при решение пространственных задач. Чаще всего моделирование24грунтового сооружения осуществляют с помощью элементов низкого порядка: вплоской постановке – это треугольные конечные элементы с линейнойаппроксимацией перемещений [Özkuzukiran, Özkan, Özyazicioglu, Yildiz; AlemánVelásquez, Pantoja Sánchez, Villegas Lesso], а в пространственной постановке – этоконечные элементы в виде пирамид или призм произвольной формы [Dakoulas,Thanopoulos, Anastasopoulos; Bin Xu, Degao Zou, Huabei Liu].
Только некоторыеисследователи используют конечные элементы с квадратичной аппроксимацией ввидетреугольников(дляплоскойзадачи)[Arıcı]ипирамид(дляпространственных задач) [Özel, Arici]. Для моделирования самого ЖБЭ могутприменяться конечные элементы в виде оболочек [Arici; Özel, Arici].Несмотря на наличие мощных вычислительных программных комплексов,хороших численных исследований НДС грунтовых плотин с ЖБЭ немного. Частоони не дают полную информацию о работе и состоянии ЖБЭ. Результатырасчётов НДС грунтовых плотин с ЖБЭ, выполненных разными авторами, оченьразнятся. Это связано не только различием программных комплексов ииспользуемой моделей среды, но и с разбросом деформативных свойств каменнойнаброски.Например, в [Bin Xu, Degao Zou, Huabei Liu] для плотины Zipingpu высотой156 м (Китай) было получено, что железобетонный экран сжат как в направлениивдоль склона (до 11 МПа – рисунок 5.10), так и в направлении от борта к борту(напряжениями до 6,5 МПа – рисунок 5.11).
При этом в работе не указано,напряжённое состояние какой из граней экрана (верховой или низовой)анализировалось.НахождениеЖБЭвсостояниидвухосногосжатия,отсутствиерастягивающих напряжений, по-видимому, связано с высокими деформативнымихарактеристиками, заданными в расчёте. По расчёту прогиб экрана такой высокойплотины составил лишь 23,1 см (рисунок 5.12). Расчётная строительная осадкаплотины составила 73,4 см, что близко к данным натурных наблюдений.
Такимобразом, осадка плотины составила менее 0,5% от высоты плотины. По данным25этих расчётов основная часть плотины смещается в сторону нижнего бьефа, нообласть у верхового откоса и сам экран – в сторону верхнего бьефа.Рисунок 5.10 - Напряжения в направлении вдоль склона в экране плотиныZipingpu по результатам расчётов Bin Xu и др.Рисунок 5.11 - Напряжения в направлении от борта к борту в экране плотиныZipingpu по результатам расчётов Bin Xu и др.Рисунок 5.12 - Прогибы экрана плотины Zipingpu по результатам расчётов Bin Xuи др.Для той же плотины другие исследователи [Mohsen Ghadrdan, Seyed SA.Sadrnejad, Tahereh Shaghaghi, Kazem Ghasimi, 2015] получили, что ЖБЭиспытывает сжатие только до наполнения водохранилища (рисунок 5.13).
Посленаполнения водохранилища в центре ЖБЭ сжимающие напряжения снижаются до3 МПа, а на бортовых секциях развиваются растягивающие напряжения(рисунок 5.14). Напряжённое состояние ЖБЭ в направлении вдоль откоса неанализировалось.26Рисунок 5.13 - Напряжения в направлении от борта к борту в экране плотиныZipingpu (до наполнения водохранилища) по расчётам Mohsen Ghadrdan и др.Рисунок 5.14 - Напряжения в направлении от борта к борту в экране плотиныZipingpu (после наполнения водохранилища) по расчётам Mohsen Ghadrdan, др.Появление растягивающих напряжения в ЖБЭ в направлении от борта кборту получают расчётом и другие исследователи [Alemán Velásquez, PantojaSánchez, Villegas Lesso, 2011].
Для плотины высотой La Yesca высотой 100 м(Чили) расчётом ими было получено, что центр экрана сжат напряжениями4.8 МПа, а бортовые сечения испытывают растягивающие напряжения, которыедостигают 9,8 МПа у бортов (рисунок 5.15).Рисунок 5.15 - Напряжения в направлении от борта к борту в экранепо результатам расчётов Alemán Velásquez и др.27Полученные расчётом высокие растягивающие напряжения очень велики,ведь по данным расчётов прогиб экрана составил всего 17 см.
По-видимому,такойрезультатобъясняетсятем,чтонемоделировалосьналичиепериметрального шва, или использованием конечных элементов низкого порядка.Напряжённое состояние ЖБЭ в направлении вдоль экрана в данномисследовании также не анализировалось.Наиболее обстоятельные расчёты проводят турецкие исследователи Arici иÖzel [Arici; Bin Xu, Degao Zou, Huabei Liu; Özel, Arıcı]. Моделированиесооружения они производят с учётом подробной схемы возведения и загруженияплотины, с использованием конечных элементов высокого порядка. Для плотиныCokal (Турция) высотой 83 м ими было получено, что в направлении от борта кборту ЖБЭ испытывает сжатие величиной до 0,75 МПа (рисунок 5.16). Внаправлении вдоль откоса в нижней части экрана сжимающие напряжения принаполнении водохранилища переходят в растягивающие, в результате чего в ЖБЭобразуются трещины (рисунок 5.17).Рисунок 5.16 - Напряжения в направлении от борта к борту в экране плотиныпо результатам расчётов Özel и AriciРисунок 5.17 - Напряжения в направлении вдоль склона в экране плотиныпо результатам расчётов Özel и Arici28Расчётами было получено, что периметральный шов открывается набольшом протяжении (рисунок 5.18).
Растягивающие напряжения испытывают имногие вертикальные межсекционные швы (рисунок 5.19).Рисунок 5.18 - Раскрытия периметрального шва экрана плотиныпо результатам расчётов Özel и AriciРисунок 5.19 - Состояние вертикальных швов в экране по расчётам Özel и Arici.Синие эпюры показывают сжимающие напряжения, красным – растягивающие.В этом исследовании получена качественно иная картина по сравнению свыше приведёнными исследованиями.
Однако здесь также не анализируетсяразличие между напряжённым состоянием верховой и низовой граней ЖБЭ.Часто многие аналитики и исследователи утверждают, что железобетонныйэкран находится в состоянии двухосного сжатия в своей плоскости (внаправлении от борта к борту и в направлении вдоль откоса) [Современноенаучное обоснование…; ICOLD, 1989]. Образование трещин в ЖБЭ связывают сдефектами строительства или влиянием сложных топографических условий.Например, на плотине Nam Ngam 2 высотой 182 м (Лаос) по данным натурныхнаблюденийЖБЭ после наполнениядеформировался сложным образом(рисунок 5.20) [Mairaing, Thongthumachat].Однако не следует исключать появление растягивающих напряжений вЖБЭ и в обычных условиях. Специалисты по проектированию грунтовых плотин29с ЖБЭ П.М.Маркес Фильо и Н.де С.Пинто [Маркес Фильо, Пинто] справедливоуказывали, что появление растяжения в экране – вполне предсказуемое иобъяснимое явление, связанное с тем, что экран прогибается.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
