Диссертация (1141446), страница 52
Текст из файла (страница 52)
Кроме того,возникающие на контакте «бетон-грунт» силы трения также будут способствоватьпроявлению растяжения.Рисунок 5.20 - Прогибы (мм) экрана плотины Nam Ngam 2 по даннымнатурных наблюденийВ пользу предположения, что ЖБЭ испытывает растягивающие усилия,говорит то, что в подавляющем большинстве плотин в натурных условияхпериметральный шов раскрывается [Pinto, Marques; ICOLD, 2010, В.141].Появление растягивающих напряжений в направлении вдоль экрана былополучено расчётами только греческими исследователями [Dakoulas, Thanopoulos,Anastasopoulos] для плотины Messochora высотой 150 м (рисунок 5.21) (Плотинарасполагается в широком створе). Данные напряжения возникли при прогибеэкрана 39,2 см.
образовавшемся при заполнении водохранилища.Заключение. В настоящее время вопрос о напряжённом состоянии ЖБЭ ипричинах трещинообразования в нём изучен недостаточно. При численныхисследованиях НДС ЖБЭ как правило не анализируется состояние ЖБЭ внаправлении вдоль откоса, а также различие напряжённого состояния междуверховой и низовой гранями экрана. Однако и по данным численногомоделирования и по данным натурных наблюдений ЖБЭ экран испытывает изгиб,30поэтому вполне логичным является появление в нём растягивающих напряжений,которые могут стать причиной образования в нём трещин.а)б)в)Рисунок 5.21 - Максимальные главные напряжения в экране плотины Messochoraпо результатам расчётов Dakoulas и др.а – распределение напряжений во всём экране, б, в – фрагментПо-видимому, отсутствие глубокого анализа НДС ЖБЭ связано с тем, чтопри численном моделировании для получения достоверных результатов требуетсяиспользованиеконечныхэлементоввысокогопорядка.Созданнаянамивычислительная программа позволяет использовать такие элементы, что даётвозможность исследовать работу каменно-набросных плотин с ЖБЭ.5.6 Численные исследования условий формирования напряжённодеформированного состояния каменно-набросных плотин с железобетоннымэкраном (в плоских условиях)Задача исследования – выявление характера и условия формирования НДСкаменно-наброснойплотинысЖБЭ,атакжевозможныхпричинтрещинообразования в ЖБЭ.
Исследования должны были подтвердить наше31предположение, что в ЖБЭ вследствие изгибных деформаций возможнопоявление растягивающих напряжений.Для подтверждения данной гипотезы нами были проведены упрощённыеметодические расчёты НДС грунтовой плотины с ЖБЭ. Высота плотина былапринята 100 м. Схемы возведения и загружения плотины принималась самымипростыми. Упорная призма плотины принималась однородной.Численная модель сооружения включала 335 конечных элементов включая52 контактных элемента, и 3046 степеней свободы (рисунок 5.22).Рисунок 5.22 - Конечно-элементная модель сечения плотины.1 – упорная призма, 2 – железобетонный экран, 3 – скальное основание, 4 –подэкрановая зона, 5 – защитная призма.Исследование НДС плотины в упругой постановке для схемы возведениябез очередей.Данный расчёт проводился для самой простой схемы возведения инагружения плотины: cначала послойно возводится плотина, затем укладываетсяЖБЭ и защитный экран, после чего производится наполнение водохранилища.Для железобетона модуль деформации принимался равным 29000 МПа.Грунттелаплотинывданномисследованиипринималсялинейно-деформируемым, с постоянным коэффициентом Пуассона.Выбор свойств горной массы по модели линейно-деформируемой средыосуществлялся таким образом, чтобы максимальная строительная осадка плотины32составляла 57-58 см.
Это значение соответствует осреднённым данных натурныхнаблюдений для плотины высотой 100 м, хотя диапазон осадок таких плотиныочень широк – 0,21 м.Нами рассматривались следующие варианты деформативных свойств телаплотины:вариант №0 – E=60 МПа, =0,25,вариант №1 – E=50 МПа, =0,30,вариант №2 – E=63 МПа, =0,20.Дополнительно рассматривался вариант №3, для которого E=60 МПа,=0,30.По данным [ICOLD, 2010, В.141; Pinto, Marques; Marques Filho, De Pinto] вомногих плотинах секущий модуль деформации камня действительно составляетпримерно 40÷60 МПа. Хотя на некоторых плотинах в верховую призму уложенменее деформируемый камень. Например, в плотине Nam Ngum 2 (Лаос) модульдеформации камня достигает в зоне 3B 150 МПа, а в зоне 3С – 60 МПа[Khamwongkhong, Mairaing].По результатам расчётов в вариантах №0, №1, №2 максимальная осадкаплотины находится в пределах 57-58 см (рисунок 5.23).Рисунок 5.23 - Осадки плотины (см) при возведении без очередей(упругая задача).Красные линии соответствуют варианту №0, фиолетовые – варианту №3.33Горизонтальные смещения плотины сильно изменяются в зависимости отзначения коэффициента Пуассона (рисунок 5.24).
При =0,3 плотина большерасширяется в стороны под действием собственного веса, поэтому для варианта№1 после наполнения водохранилища характерны повышенные смещений всторону нижнего бьефа в низовой части упорной призмы и их уменьшение вверховой её части.Рисунок 5.24 - Смещения плотины (см) при возведении без очередей (упругаязадача). Красные линии соответствуют варианту №1, зелёные – варианту №2.По результатам расчётов максимум осадок и горизонтальных смещенийэкрана располагается на высоте примерно 45м, т.е. чуть ниже середины высотыплотины (рисунок 5.25).
Максимальная осадка экрана (около 28 см) примерноравна его максимальному смещению (почти 30 см в варианте №0).На рисунок 5.26 показаны перемещения экрана в направлении Un,нормальном к верховому откосу плотины и перемещения Ut в направлении вдольоткоса. Они были вычислены через осадки и смещения экрана:U n U x cos U y sin (5.2а)U t U x sin U y cos ,(5.2б)где – угол наклона верховой грани по отношению к горизонту.Максимальное нормальное перемещение (или прогиб) экрана составляет38÷43 см в зависимости от варианта (рисунок 5.26а). Это примерно в 2 разабольше, чем по формуле Ляпичева [Ляпичев].34а)б)Рисунок 5.25 - Смещения (а) и осадки (б) экрана (см) при возведении плотиныбез очередей (упругая задача). Обозначения см. на рисунке 5.24.а)б)Рисунок 5.26 - Продольные (а) и нормальные (б) перемещения экрана (см)при возведении без очередей (упругая задача).
Обозначения см. на рисунке 5.24.Форма эпюр осадок, смещений и прогибов говорит об изгибныхдеформациях экрана, его низовая грань растягивается, а верховая – сжимается. Вверхней части экрана изгиб выражен меньше, чем в нижней. На гребне прогибсоставляет 11÷12 см, а подошвы – около 3 см (рисунок 5.26а).Практически на всём протяжении экрана горизонтальные смещения экранаUx больше, чем осадки Uy. Например, на гребне плотины смещения ЖБЭ(12÷16 см) много больше, чем осадки (2÷6 см).
За счёт этого экрана получает35перемещения в направлении вдоль откоса Ut (рисунок 5.26б). Они положительны,т.е. направлены от подошвы плотины к гребню. Результатом этих смещенийявляется раскрытие периметрального шва, которое составляет от 7 до 11 см.Кроме того, распределение продольных перемещений вдоль экрана Utопределяет наличие в нём продольных деформаций или усилий.
В случае, если свысотойперемещенияUtуменьшаются,экраниспытываетсжимающеепродольное усилие, если увеличиваются – растягивающее.Решающую роль в формировании в ЖБЭ продольных усилий играеткоэффициент Пуассона камня. В вариантах №0, №1, №2 осадки плотиныпрактически одинаковы, но смещения плотины сильно различаются за счётотличий в значениях коэффициентах Пуассона (рисунок 5.24). Чем нижекоэффициент Пуассона, тем лучше плотина сопротивляется деформациям сдвига,возникающим от действия гидростатического давления.Из-за этого в варианте №2 (=0,2) горизонтальные смещения экраназаметно меньше, чем в варианте №1 (=0,3) (рисунок 5.25б).
Поэтому в варианте№2продольные(рисунок 5.26б).перемещенияДлявариантазаметно№1меньше,характерночемввариантеувеличение№1продольныхперемещений Ut с высотой, а для варианта №2 – их уменьшение. Соответственнов первом случае продольное усилие – растягивающее, а во втором – сжимающее.Изгибные и продольные деформации определяют напряжённое состояниеэкрана. Касательные напряжения в ЖБЭ малы, поэтому главные напряжения вэкране направлены либо поперёк, либо вдоль экрана.
Напряжения в поперечномнаправлении формируются гидростатическим давлением верхнего бьефа, поэтомони нам не интересны. Интерес представляют продольные напряжения, т.е.напряжения вдоль откоса.Результаты расчёта показывают, что для НДС нижней части ЖБЭхарактерна тенденция к образованию растягивающих напряжений в направлениивдоль экрана (рисунок 5.27). Во всех вариантах на низовой грани экранавозникает растяжение, которое является следствием изгибных деформаций.36Однако его величина во многом зависит от наличия в экране растягивающегоусилия.а) низовая граньб) верховая граньРисунок 5.27 - Продольные напряжения в экране (МПа) при возведении плотиныбез очередей (упругая задача).
Обозначения см. на рисунке 5.24.Максимальное растягивающее продольное напряжение на низовой грани вварианте №1 достигает 8,0 МПа, а в варианте №2 – 5,3 МПа (рисунок 5.27а). Этинапряжения намного прочности бетона на растяжение. На верховой грани вварианте №2 растягивающие напряжения практически не возникают, а в варианте№1 достигают 2,9 МПа (рисунок 5.27б).Такимобразом,при>0,25можноожидатьпоявлениевЖБЭрастягивающих продольных усилий. Растягивающие усилия в ЖБЭ возникаюттогда, когда гидростатическое давление вызывает горизонтальные смещенияплотины, сопоставимые по величине с её осадками.Кроме того, это простое исследование показало, что модуль деформациикамня мало влияет на формирование в экране.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
