автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Математическое моделирование статической работы бетонных плотин с учетом нарушений сплошности и упругопластической работы материала



МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННОЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ТОЛСТИ КОВ

Виктор Васильевич

цатенатнческое шделкровашш статической работы бетонных

идопш с учетом нарушений сплошности и упругопластнческоЯ

РАБОТЫ МАТЕРИАЛА

05.23.07 - Гидротехническое и мелиоративное строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1994 г.

Работа выполнена на кафедре Гидротехнические сооружения Московского государственного строительного университета.

Ноучиий руководитель

О&щкалышэ оппоненты

Ведущая оргкаиацзш

- доктор технических наук, профессор Оргяса В. Г.

- доктор технических наук, профессор Каганов Г.М. ,

- кандидат технических наук БелостоцгахЛ Л.Н.

- институт НИИЭС

Защита диссертации состоится "¿5" 1994 г.

в /Р час. 30 мин. на заседании диссертационного совет! Д.053.11.04 при Московском государственном строительна университете по адресу, Шшва, Спартаковская ул., д.2, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв п адресу: 1293337, 120СПва, Ярославское босс о, дои £0, ЛГСУ, учзни ооззот.

• ' ■ г, ■■"

Автореферат разослан 'УЗ" 1994 г.

^ А/ /Ш ~ / . \

Ученый секретарь диссертационного совета

Н.Н.Аршеневсга

- г -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность теш обусловлена следующим состоянием вопроса: -1. комплекс бетонная гравитационная плотина - скальное основание имеет достаточное количество нарушений сплошности ( конструктивные Й строительные швы, контакт сооружения с массивом основания, крупные трещины в сооружении и массиве основания ), причем взаимные смещения частей сооружения ( блоков ) по этим нарушениям сплошноо-ти по крайней мере также значительны, как и их собственные деформации, особенно при анализе статической работы сооружений в предельном состоянии.Однако, бетонные плотины и их скальные основания при/ расчёте как аналитическими, так и численными методами рассчитываются в основном как сплошные среды, несмотря на то, что трещинообразование в них и нелинейная работа материала в некоторых работах,рассматривается; ; • ,

2. разработка численных основ механики дискретных сред, прогресс вычислительной техники позволяют подойти к решению задач о напряженно-деформированном состоянии комплекса "плотина-основание" как системы бло1сов, ' испытывающих собственные деформации и взаимные смещения; ' '■'.'■.'г - .. '.'

3. аналитическое построение решений МКЭ еадач о напряженно-деформированном состоянии сложных систем отличается четкой математической формулировкой и позволяет полностью автоматизировать вычислительный процесс, чоднако, литературные данные, касающиеся вопросов программирования решений, весьма немногочисленны, а сами программы Применительно к проблемам разупрочнения ( раскрытия трещин ) и учета контактного взаимодействия нуждаются в доработке.

Целью диссертационной работы является анализ работы комплекса гравитационная плотина-основание, с учетом нарушений сплошности плотины, основания и контакта и прочностных свойств материала и разработка соответствующего метода расчета.

Для достижения указанной цели были поставлены следующие задачи:

1. на основе анализа разработать математическую модель взаимодействий отдельных блоков на контактах в теле плотины и основании, а также модель описания деформирования (в том числе запредельного) самих блоков;

2. разработать алгоритм численной реализации и боздать программу ¿¿я расчета напряженно-деформированного состояния комплекса плотина-основание с учетом нарушений сплошности и прочностных свойств

- з -

материала;

3. провести физические и численные эксперименты, позволяющие сделать вывод о применимости выбранной модели и исследовать вопросы, связанные с оценкой сходимости и точностью численных результатов;

4. показать на примерах расчетов напряженно-деформированного состояния и устойчивости бетонных плотин конкретных объектов эффективность разработанной программы расчета, оценить влияние на напряженно-деформированное состояние различных нарушений сплошности и нелинейного поведения материала.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. в усовершенствовс. .ии на базе МКЭ методики расчета напряженно-деформированного состояния бетонных гравитационных - плотин, включающих различные нарушения сплошности- швы, трещины и т.д., на основе решения контактных задач в упругопластической постановке при статическом и температурном нагружении в плоской и "объемной" постановках;

2. в создании соответствующих алгоритмов и вычислительного комплекса, реализующего эту методику на ЭВМ типа "ЕС" и персональных ЭВМ "1ВМ-РС/АТ" и позволяющих производить расчеты при поэтапном возведении и нагружении сооружений;

3. в проведении численных экспериментов, в том числе и на блочных моделях и сопоставлении результатов с результатами модельных исследований для апробирования предложенной методики;

4. в анализе напряженно-деформированного состояния бетонных плотин различных гидроузлов, в выявлении особенностей напряженно-деформированного состояния, обусловленных влиянием нарушений сплошности и нелинейным поведением материала.

Практическая ценность работы заключается в разработанной на базе МКЭ методике расчета напряженно-деформированного состояния гидротехнических сооружений, взаимодействующих со скальным массивом. Предлагаемая методика позволяет с большей точностью, по сравнению с существующими, оценить напряженно-деформированное состояние в исследуемой области при наличии в ней нарушений сплошности, анизотропии, структурной неоднородности. Это, в. свою очередь,■ дает возможность с большей достоверностью .выявить запасы прочности и устойчивости системы сооружение-скальное основание, а также разработать конструктивно-технологические мероприятия, позволяющие повысить надежность проектируемых инструкций и сооружений.

Практическую ценность представляют также отдельные разделы диссертации, в которых, в частности:

- разработана модель упругопластического деформирования горных пород и бетонов, которая дает возможность моделировать в условиях "плоской" задачи поведение материалов при различных напряженных состояниях, что позволяет более достоверно оценить работоспособность бетонных сооружений и скальных массивов;

- модифицирован контактный элемент, позволяющий учитывать нарушения сплошности в "объемной" постановке;

- разработан алгоритм учета нелинейных эффектов взаимодействия на контактах на основе методов начальных напряжений и начальных деформаций, позволяющий учитывать, в том числе, и влияние шероховатости стенок трещин на напряженно-деформированное состояние окружающего массива при сдвиге, и тем самым, дающий возможность уточнения его сдвиговой прочности.

Внедрение результатов исследований связано с выполнением исследований статически работы высоких бетонных плотин ряда крупных гидроузлов, таких, как - Катунский, Богучанский, Бурейский, гидроузел на р.Капанда, проводимых по заказам проектно-изыскательского института "Гидропроект" и дирекциям строящихся ГЭС и заключается в научном обосновании проектных решений на различных стадиях проектирования сооружений.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на семинаре "Вопросы автоматизированного проектирования" Всесоюзной конференции "Прогрессивные методы в проектировании и строительстве морских берегозащитных сооружений" в г. Сочи, 1984; на V семинаре "Аналитические методы и применение ЭВМ в механике горных пород" СО АН СССР, г. Новосибирск, 1985; на Всесоюзных научно-технических совещаниях "Расчетные предельные состояния бетонных и железобетонных конструкций энергетических сооружений", г. Нарва ( 1986, 1988, 1990 ГОДЫ ).

Объем работы диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Общий объем работы 231 стр., в том числе 139 стр. машинописного текста, 77 стр. рисушгав, 2 таблиц и 13 стр. списка литературы из 126 наименований.

На защиту выносится методика расчета на базе МКЭ задачи взаимодействия бетонных плотин со скальными основаниями при наличии различных нарушений сплошности имеющих место, как в сооружении, так и

- Б -

в скальном массиве.

В частности, защищаются: . - fr - ,'

- упругопластическая модель поведения трещин и контактов, учитывающая возможность их раскрытия и закрытия ( в том числе, j при разгрузке), проскальзывания контактов при сдвиговых деформациях с учетом трения и морфологии стенок трещин, что позволяет воспроизводить в расчетах явление дилатански; ;

- упругопластическая модель деформирования горных пород и бетонов в условиях различных напряженных состояний ( двухосное ежа тие, сжатие-растяжение, растяжение ), характерных для совместна работы бетонных плотин и скальных оснований; . -''.Ли- результаты исследований статической работы гравитационны

плотин трех крупных гидроузлов, которые позволили выявить особен ности формирования напряженно-деформированного состояния, обуслов ленные влиянием нарушении сплошности и нелинейным поведением мате риала и обосновать отдельные конструктивные и технологические ре шения. .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе рассмотрены^инженерные свойства нарушений сплошное ти и некоторые современные подходы к их математическому моделирс вант. Здесь же анализируется поведение горных пород и бетонов условиях одноосного и многоосного нагружения и рассматривается ис пользуемый в данных исследованиях критерий прочности. Во второй главе представлена методика и программа расчета напр! женно-деформированного состояния сооружений, с учетом контактно! взаимодействия по имеющимся нарушениям сплошности, которые пред< тавляются в расчетной схеме МКЭ контактным!: элементами. , Получе! выражения для матрицы жесткости СЮ модифицированного контактно: элемента, вектора узловых усилий элемента <R> и подробный алгори моделирования нелинейных эффектов взаимодействия ( раскрытие закрытие трещины, проскальзывание контактирующих тел при сдвиг учет дияатансии для шероховатых трещин ) на основе методов начал ных напряжений и начальных деформаций. Даны зависимости позволя щие корректировать матрицу жесткости элемента, в соответствии достигнутыми деформациями и состоянием трещины, что позволяет с щественно ускорить сходимость итерационного процесса поиска peo; кия. Приводится.разработанная для использования при расчетах м тодом конечных элементов,: упругопластическая модель, позволяющая

Лбп<2) - - кп-У(2) " 60 ; ДТ3(2) - - ка-и(2) - Го (3)

Для достижения истинного напряжения требуется несколько итераций. Зависимости (1), (2) и (3) можно записать п общем виде для "1 -ой" итерации:

вп(») - кп-у(1) + бо + Дбп(1-1); Л5п( 1) - - кп-Уш - во; (4) Та(1> - кв' и с 1) + %о + ДТд( 4-1); Дга(1> - - к3-и(и - То. (5)

Сходным образом учитываются нелинейные свойства среды при сдвиге. Невязка касательных напряжений вычисляется по следующим зависимостям:

- при "правостороннем" сдвиге ( т3 > 0 ):

Дх3(1) - тг - кв-Л1(о - т0; (0)

- при "левостороннем" сдвиге ( т3 < 0 ):

(1) - -хг - кд-и(!) - То, (7)

где - Сг - бп<1),ЬеФг - остаточная-прочность при сдвиге.

Если в процессе деформирования перемещения превышают заданную величину закрытия Ушах то на каждой итерации при достигнутом уровне напряжений бпш корректируются относительные перемещения уо). Невязка напряжений при этом равна:

Дбп(1) - бП(1) " кп-Ущах - б0. (8)

При моделировании дилатантных свойств трещины, находящейся в поле сжимающих напряжений бП(о, сначала определяется угол дила-тансии 1 о учетом типа трещины и направления сдвига, а затем учитывается поворот на угол 1 главной плоскости трещины. При смещений в касательном к трещине направлении на величину и(п, касательные напряжения о учетом дилатансии равны:

(кзп)2 к3п

- С кда - —- ]-и<1) + —-—( бпО) - бо ) + Го, (9)

где к аз " ка-соз21 + кп-з1п21; - ( к3-кп )-С081'-з1п1; кпп - кп-соэ2! + к3-з1п21 . а величина относительных перемещений в нормальном к трещине направлении равна:

к8п ' ■ 1 У<п - - —--4(1) + -——( бП(1) - бо ). (10)

кпп . кпп -

Невязки напряжений, которые необходимо приложить для коррекции полученных на "1-ой" итерации напряжений и перемещений пр! этом равны:

Дбпа) - бП(о - кп-У(!) - бо;

^(1) ■ к3-и(1) - хо. (11:

амках плоской вадачи учесть полную диаграмму поведения горных по-юд и бетона ( б-Ие) ), включая стадию их запредельного деформи-ования, в условиях различных напряженных состояний. Рассматривали матрица жесткости [Ю четырехугольного элемента с дополни-ельными внеуаловыми степенями свободы для моделирования сплошной реды и приведен алгоритм решения упругопластической задачи в рамах общей процедуры ( на основе метода начальных напряжений ) совестно с решением контактной вадачи. Приведено решение тестовых адач.

1. Моделирование работы швов и трещин. При разработке программы МКЭ, учитывающей нарушения сплошнос-и материала, был взят за основу линейный контактный элемент пред-оженный Р.Гудманоы, Р.Тэйлором, Т.Брекке. Элемент учитывает физи-ескую сущность взаимодействия на контактах, согласно которой зна-ение имеют не абсолютные, а относительные смещения границ блоков.

Численная процедура учета нелинейных эффектов контактного ааимодействия состоит в следующем. На первом щаге перемещения и алряжения вычисляются по характеристикам упругой части зависимос-ей .6п«Г(у) и г3=Ии). При этом, если растягивающее напряжение п(1) превышает предел прочности на растяжение Ир, контакт нарушатся и образуется раскрытая трещина, которая уже не несет никакой агрузки. Это приводит к перераспределению напряжений в окружающих лементах. Такое перераспределение достигается путем вычисления зловых сил, ликвидирующих напряжения в трещине, которые приклады-аются на следующей итерации и являются, по существу, новым случа-м нагружения.

Очередное распределение напряжений дает новое значение нор-ального напряжения бП(2). которое равно:

бП(2) - кп-У<2) + б0 + Д5П(1), (1)

«алогично касательное напряжение т3(2) равно:

■Сз(2) - кз-Ц(2) + То + йт3(1). (2)

где кг и кп - удельные модули деформации в касательном и нормальном к трещине направлениях ( далее касательная и нормальная жесткости); бо и то - начальные напряжения, гвяз'ки напряжений вычисляются как разница между упругими и истинами ( в данном случае нулевыми ) напряжениями при достигнутых пе-¡гмицениях:

вированных диаграмм, . позволяющих моделировать идеалыю-пластичес кое поведение материала; разупрочняющийся материал с бесконечно хрупкостью и материал с конечной хрупкостью.

Если напряжения в среде не превосходят заданного предельног уровня, связь напряжений и деформаций описывается законом Тука.

Напряжения, в области растяжения, ограничиваются прочность на растяжение Т ( Т > 0, растяжение имеет знак "+" ).

61 - Т (14

8 области сжатия и растяжения сжатия напряжения ограничены крите рием Мора. Принята, при построении модели, параболическая огибак щая кругов Мора предложенная С.Фэйрхерстом: '

t2 - (m-l)2-T-(T-6), m--(|S|/T + I)0'5 , (IE

где S - прочность материала на одноосное сжатие. Уравнение (15) можно записать, выразив через главные напряжения:

(бз - 6i)z , г гт (( m-i \2 ^ —-—----2(ш-1)2-т- 1 +--<( —— I - 1>L (If

61+63 1 б! ♦ бэ U 2 / Л

где 6i - максимальное главное напряженке ( растягивающее ши наименьшее из сжимающих ); бз - минимальное главное напряжение ( сжатие имеет знак "-",' При реализации модели среды с разупрочнением кривая остато» ной прочности характеризуется уравнением:

бэ(ост) - бз(р) + йбз-( 1 - 6i/6km) ),'■•;•' -(Г

где бз(р) - пиковая ( предельная ) прочность материала ( при б const ) определяемая из решения уравнения (16), которое удобно з, писать в веде:

_ г 2Т if т-1\г \ бз(р)+6а

б3(р)--2(т-1)г-Т- 1 +--{(- - 1}--+ 6i. (11

Принято, что при величине |6il > (бкю разупрочнения в хо, запредельного деформирования не происходит ( бзсп » бз(Р> ), ч характерно для некоторых материалов ( бкм> - величина боково обжатия, при которой невозможно хрупкое разрушение). Если же |б меньше величины |бкы)|, то снижение предельной величины бз бз(р) ДО бз(ост) принято линейным и определяется интерполяционн уравнением ( при деформациях |ез| < |ыез(у)f ):

бз<р) " «ЭСост) , . „

бз(Т) - 6Э(0€Т) + —-—--( *«3(у> - ез ). (1

(» - 1)-еэ<у> где езсу) - предельная упругая деформация;

« - коэффициент, характеризующий наклон запредельной вет

Если в ходе решения напряжения т3(п превысят предельные значения, то невязки напряжений определяются зависимостями (6), (7). Нормальные деформации ограничены, по прежнему, величиной Ущдх и дополнительно величиной максимально возможного расширения трещины Уар, обусловленного высотой зубцов шероховатости стенок трещины. В случае если У(о > Уар, невязка напряжений для коррекции относительных перемещений равна:

Л5п(1) - бП(1) - кп-Уар - бо- (12)

При уровне сжимающих напряжений бП(о превышающем критическую величину бш . угол дилатансии 1 принимается равным нулю, а прочность на сдвиг равной прочности на сдвиг скального массива:

' Ш - 1 П-бП(1) 0.5

тр - Со---( 1 + - ) . (13)

- п Со где Со - прочность на сжатие;

п - отношение прочности на сжатие к прочности на растяжение; т- ( 1 + п )0-5. Напряжения (Дбпи> + бо) и (Атэп) + то) являются начальными напряжениями для следующей "1+1" итерации. Вектор узловых усилий Ш элемента, подсчитанный по значениям этих напряжений, добавляется к вектору сил системы и производится следующее упругое решение с прежней матрицей жесткости, но с новым набором узловых сил. Добавление сил, обусловленных начальными напряжениями, увеличит упругие напряжения в элементе на следующей итерации, однако на величину меньшую, чем начальные напряжения, по которым были рассчитаны узловые силы, поскольку в ансамбле элементов добавленные силы распределяются также и на другие элементы расчетной области. В физическом смысле это означает итерационный поиск таких дополнительных нагрузок, которые сообщают линейно-деформируемому телу перемещения, равные перемещениям нелинейно-деформируемого тела при заданной нагрузке. Итерации продолжаются до стабилизации решения. Е. Моделирование разрушения горных пород и бетона. Для описания поведения материала сплошной среды использовалась математическая модель, позволяющая в рамках плоской задачи учесть полную диаграмму поведения бетона и скальных пород в сложном напряженном состоянии. Модель является обобщением упругой и пластической среды с предельной поверхностью разрушения, определяемой критерием Мора. Зависимость принимается в виде идеали-

кривой деформирования, определяемый как отношение пластической деформации, при которой достигается остаточная прочность, к упругой деформации, соответствующей пиковой прочности. •.■•.'' Если в выражении (17) принять йбз«0, то реализуется модель идеально пластичного поведения материала. Если и-1, то не используя уравнение (19) , принимаем бзст) - бз(ост), независимо от величины достигнутых деформаций, т.е. реализуется модель разупрочняющегося материала с бесконечной хрупкостью. При ш > 1 - модель разупрочняющегося материала с конечной хрупкостью. Для широкого класса горных пород и бетона величину ы можно принимать ( при отсутствии испытаний, с построением запредельной ветви диаграммы б»?(в) ) равной 2+3.

. При действии растягивающих напряжений 61, выходящих за область допустимых значений , " считаем, что в элементе образуется плоскость разрушения ( трещина иди группа трещин ) нормальная к направлению действия 61 и элемент не воспринимает в этом направлении растягивающих напряжений, т.е. 61сп » О. Значения напряжений бэ ( если они толе выходят за область допустимых значений ) определяются следующим образом: _

- при идеальной пластичности

бз<Т) ■ Б; . - (20)

- при разупрочияющейся среде

' Б ■

......бзст> - —-——-•( (¿ез(у) - ЕЗ )• (21)

(» - 1)-ез(у)

В случав, если элемент разрушается от всестороннего растяжения,

б1'(тУ -бзсг> - о.

Таким образом при всех вариантах комбинаций напряжений 61 и 63 ( полученных на основе упругого решения ) возможно определение при достигнутых деформациях £1 и еэ, соответствующих им теоретических напряжений 61(т> и бз(7>, подсчитанных о помощью предлагаемой деформационной упругопластической.модели.

При реализации, рассмотренной модели, используется метод начальных напряжений. На каждой "1-ой" итерации проводится коррекция найденных напряжений в элементах в случае, ' если их величины выходят за область допустимых значений. В результате для соответствующих конечных элементов определяются вектора невяэки {Дб{> между полученными упругими напряжениями и допустимыми значениями напря-

жений ( бкт), бз(Т) ). которые рассматриваются в качестве дополнительной нагрузки и начальных напряжений на очередной "1+1" итерации. Итерационный поиск решения осуществляется в рамках обще* процедуры совместно с решением контактной задачи. В трётьей главе представлены результаты численного моделированю разрушения системы штамп-основание при сдвиге и устойчивости подземной выработки машзала гидроузла "Стратос". Результаты численны» исследований сопоставлялись с результатами экспериментов на физических моделях, что позволило оценить сходимость и точность численного решения.

Результаты численного моделирования разрушения систем* штамп-основание по схеме "плоского сдвига" ( что достигалось без-моментным приложением сдвигающей нагрузки и более . прочньа RocH/Rm-*2.0 основанием ) показали хорошее совпадение между величинами предельной сдвигающей силы, полученными теоретически и экспериментально ( расхождение/•»ЗХ ), . и дали возможность, в рамка; принятой модели, количественно оценить наблюдаемый в эксперимент« процесс разрушения. В исследованиях по разрушению систем! штамп-основание с моментным приложением нагрузки ( фактически моделировался скальный целик RocH/RmT-l-O ) было отмечено большее, по сравнению со случаем "плоского сдвига", расхождение результато! расчета с экспериментом ( ). Тем не менее и в этих исследованиях оказалось возможным получить качественную, и количественну» оценку механизма разрушения, имевшего место при устойчивом распространении трещины в глубь основания вплоть до исчерпания системой несущей способности.

Результаты расчетов устойчивости подземного машзала ГЭС в уп-ругопластической постановке, с моделированием трещиноватости межд; скальными блоками контактными элементами, показали достаточно хорошую сходимость с результатами модельных исследований. Это доказывает наличие нарушенной зоны в сводовой части выработки как н; моделях, так и в расчетах ( это не фиксируется в расчетах без учета трещиноватости массива ). По размерам эти зоны, в среднем,- отличаются на 10-17Z. Блочность и слоистость массива также одинаков! влияют на формирование нарушенных зон, увеличивая их площадь -15: в сторону падения слоев. Как моделирование, так и расчет показал одинаковое влияние более прочного слоя пород, пересекающего машин ный зал, что проявилось в локальном сокращении в 1.5+2.0 рас^ч раз

мера нарушенных зон пород в области слоя.

В четвертой главе приведены результаты исследований статической работы ряда высоких бетонных плотин и их взаимодействия со скальным массивом, полученные на базе МКЭ, с использованием разработанных моделей поведения швов и трещин и упругопластической работы материала, в плоской и объемной постановке.

. Численные исследования секции бетонной плотины Богучанской ГЭС показали, что характер статической работы секции ( при столбчатой разрезке сооружения ) в существенной степени зависит от монолитности сооружения ( в расчетной схеме моделировались горизонтальные строительные и вертикальные межстолбчатые швы, контактный шов между плотиной и основанием и горизонтальная трещина в основании ). При достаточно высоких прочностных и жесткостных характеристиках межстолбчатых швов ( к3-10,0 МПа/см; кп-25,0 МПа/см; С-0,2 МПа; 1в<р-0,75; 7,^-1,0 мм ) напряженно-деформированное состояние секции плотины является удовлетворительным. Снижение прочностных и жесткостных показателей этих швов ( например вследствие некачественной цементации к3«1 ,0 МПа/см; кп"2,5 МПа/см; С=0,01 МПз ЬйФ-О.б; Утах-5,0 мм ) приводит к существенной концентрации сжима-' вдих напряжений в принонтактных сечениях плотины и основания под низовыми гранями столбов до 2,93 МПа, раскрытию контактного шва на участках под верховой гранью отдельных столбов плотины ( длиной от 1,0 до 4,5 м ), нарушению сдвиговой прочности на отдельных участках мекстолбчатых швов, дальнейшему раскрытию контактного шва со стороны напорной грани ( длина трещины, Ьтр-12.Бм, раскрытие б»4,85мм ), значительному росту горизонтальных смещений гребня плотины и некоторому уменьшению коэффициента устойчивости сооружения. ' ■ '■: ",' *'•■''.

Температурные воздействия С зимнего периода эксплуатации сооружения ) приводят во всех рассмотренных случаях к раскрытию контакта, строительных швов со стороны низовой грани ( Ьтр«2,2+4,4м, 3 до 2,47мм ), а на верхних отметках и со стороны верховой грани ( ЬТр-2,2*5,бм, 3 до 2,18мм ), и определенному изменению напряженного состояния сооружения, что сказывается и на уменьшении коэффициента устойчивости сооружения.

Учет упругопластической работы бетона привел к трансформации в распределении напряжений бу, б*, Хуу существенной в основном только в пограничной области низовой грани плотины. Имевшие место

растягивающие напряжения бу и бх снизились практически до нуля. Уменьшились длины и величины раскрытия строительных швов до Ьгр=0,8*4,2м, 5 до 0,4бмм - Верховая грань и ЬТр до 2,0м, с 5 до 0,27мм - низовая грань. В приконтактных областях плотины и основания распределение напряжений практически не изменилось, по-сравнению, со схемами при упругой работе бетона. Следует отметить, что во всех рассмотренных случаях раскрытия контактного шва ( Ьгр-7,6-12,5м ) не достигают цементационной завесы и коэффициент устойчивости секции плотины выше нормативного.'

Как показали исследования водосливной секции гидроузла Капан-да, при действии статических нагрузок, наличие ослабленных горизонтальных и изолированных сквозных наклонных швов ( 5 до 2мм ) в теле сооружения, обусловленных технологией и очередностью его воа-ведения, не оказывает существенного влияния на общее напряженно-деформированное состояние,конструкции, приводя к локальному изменению напряжений ( на величину порядка 0,32+0,34 МПа ) в непосредственной близости от ослабленных наклонных швов. Наличие ослаблений в сооружении привело к увеличению, горизонтальных перемещений плотины до 2,42 см, против 1,78 см в монолитном варианте. Также как и при монолитном варианте сооружения, в основании у напорной грани плотины формируется зона двухосного растяжения таких же размеров и примерно с такими же значениями напряжений ( бу» =-0,62 МПа; б*= -1,56 МПа ). Зона растяжения в контактном шве составила 5,5 м.

Учет возможного разуплотнения скальных пород в зоне у верховой грани плотины привел к существенной трансформации напряжений в приконтактной области плотины, и основания. Растягивающие напряжения бх и бу в основании снизились практически до нуля. В прикон-тактном сечении плотины возросли сжимающие напряжения бу с 0,27 МПа до 0,87 МПа. Повысились также максимальные значения сжимающих напряжений бу в области низового носка, где они в основании составили 2,67 МПа ( проз^в 2,09 МПа при упругой работе основания ), а в теле плотины стали равны 3,28 МПа ( против 2,3 МПа ). Расчеты показали, что во всех сечениях горизонтальных ослабленных швов в исследованных схемах конструкции действуют только сжимающие напряжения. Контактный шов между плотиной и основанием при учете упру-гопластической работы скальных пород на всем его протяжении, также находится в "сжатом состоянии", в то время как при упругой работе

основания была получена зона растяжения длиной 5,5 метров. Максимальная величина смещения гребня составила в данном случае 2,78 см ( 2,42 см - в схеме без учета разуплотнения ).

. Учет в расчетных исследованиях упругопластической работы бетона и скального массива позволяет более полно отразить реальные ' условия работы плотин на скальных основаниях.. На примере исследования поэтапного возведения бетонной плотины Бурейасой ГЭС также было показано, что учет раскрытия, имеющихся в основании под на-, порной гранью, : трещин ( учет зоны "разуплотнения" ) приводит к улучшению напряженно-деформированного состояния бетонной плотины в этой области и к заметному улучшению условий работы контактного шва. Это обстоятельство позволило , в данных исследованиях, обосновать предложенную "Зеягэсстроем" схему возведения плотины, которая дает возможность производить пуск агрегатов ГЭС очередями при минимальном объеме уложенного в тело плотины бетона. ..

Применение разработанной методики и пространственных квадратичных контактных элементов, для моделирования упругопластических ; свойств швов плотины и трещин основания, позволило уточнить характер работы бетонной плотины гидроузла Капанда, о учетом топографии' отвора и наличия в створе сооружения трещин бортового' отпора и ар-гиллитовых прослоев в основании о пониженными жесткостными и прочностными характеристиками. Расчеты выполнялись для системы плотина-основание в объемной постановке при воздействии на сооружение гидростатической нагрувки, собственного веса бетона и фильтрационного давления на подошву. В скальном основании задавались фильтрационные гидродинамические силы, которые, как и противодавление определялись из решения задачи объемной фильтрации ( при «г*основания равном 1 ). '9; ; '-•V-.'"" ; '

Возможность относительного смещения плотины и части основания по плоскостям трещины бортового отпора и вертикального шва сооружения в сторону НБ ( в условиях "заклинивания плотины" в сужающемся в плане створе ) привела к увеличению нормальных к трещине бортового отпора сжимающих напряжений ( в 2 раза, по сравнению о монолитным вариантом ) и как следствие к повышению удерживающих сил. Это обстоятельство, а также перераспределение части нагрузки о трещины бортового отпора на контактный шов под русловыми секциями плотины и аргиллитовый прослой ( в зоны где выше сдвиговые параметры ) привели к заметному повышению устойчивости плотины (

Кз"2,08 ), по сравнению с результатами расчета монолитного варианта, для которого коэффициент устойчивости имел существенно более низкое значение К3«1,55.

. основные вывода

1. Выполненные исследования напряженно-деформированного состоянш бетонных гравитационных плотин показали,что использование разработанной методики учета в расчетах МКЭ нелинейных эффекте! контактного взаимодействия ( с использованием контактных элементов ), является весьма эффективным способом оценки влиянш на статическую работу сооружения различных строительных и конструктивных швов, ослабляющих тело сооружения, прочностных и деформационных характеристик швов 'и контакта сооружения с основанием, а также отдельных трещин или систем тренда в скальном основании. .

2. Разработанная специально для горных пород и бетона упругоплас-тическая деформационная модель позволяет в рамках "плоской задачи" МКЭ рассматривать полную диаграмму поведения этих материалов при сложных напряженных состояниях. При этом в зависимост) от механических свойств, варьируя исходные параметры модели могут быть реализованы либо модель идеально пластического мате риала, либо модель разупрочняющегося материала с конечной ил: бесконечной хрупкостью.

3. Совместное использование обычных и контактных элементов, дефор мирование которых определяется предлагаемыми моделями, дае возможность рассматривать проблемы, связанные с прочностью устойчивостью системы сооружение - скальный массив практическ для любой структурной неоднородности и анизотропии с учетом не линейной работы бетона и горных пород в запредельной стадии де формирования. ' . V . -V

4. Сравнение результатов экспериментальных исследований разрушени системы штамп - основание и устойчивости подземного, машзала ГЭ с результатами соответствующих расчетов показывают, что разра ботанная методика и программа расчета позволяют практическ полностью проследить характер статической работы сооружения пр различных параметрах ослабленных швов и трещин и на различны стадиях нагружения. Это дает возможность, при постановке шире ких исследований, использовать расчетный метод с применение ЭВМ и существенно сократить трудоемкие экспериментальные иссле

дования.

5. При сопоставлении о традиционными методами расчета, решение задач о . напряженно-деформированном состоянии бетонных плотин крупных гидроузлов ( Богучанской и Бурейской ГЭС, гидроузла Ка-панда ) дает качественно новую информацию ( оценки предельного состояния строительных и деформационных швов при их различных прочностных и жесткостных характеристиках, количественные оценки глубины и величины раскрытия различных швов, в том числе и контактного шва, при статических и температурных воздействиях, размеры зон разуплотнения скального основания под напорной гранью бетонных плотин и их влияние на состояние контактного шва и т.д. ), что позволяет более объективно и детально оценить напряженно-деформированное состояние плотины и скального основания, а также реализовать в проектных разработках крупных гидротехнических сооружений инженерные идеи о надежным расчетным обоснованием.

6. Моделирование в расчетах объемного напряженно-деформированного состояния плотины и . основания швов и трещин дает возможность-

\ более обоснованно прогнозировать работоспособность и надежность исследуемой конструкции, с учетом конструктивных особенностей сооружения, структуры скального массива и реальной топографии створа. Расчеты бетонной плотины гидроузла Капанда, например, позволили выявить интересную особенность работы сооружения в условиях сужающегося в плане в сторону нижнего бьефа створе. Возможность относительного смещения плотины и части основания, по моделируемым плоскостям трешикы бортового отпора и вертикального шва сооружения, и перераспределение усилий при раскрытии трещин создали эффект "заклинивания" плотины, что привело к увеличению коэффициента устойчивости системы сооружение - основание ( Кэ1" 2.08 ). Традиционная методика расчета устойчивости (по результатам решения упругой трехмерной задачи для монолитного сооружения) дает существенно более низкое значение К3-1.55.

7. Изучение статической работы бетонных гравитационных плотин с нарушенной монолитностью в сложных геологических и климатических условиях представляет собой актуальную и в то же время чрезвычайно сложную задачу. В этой работе предложена методика ( реализованная в программном комплексе ) и рассмотрены лишь некоторые аспекты данной проблемы. В качестве направления даль-

нейших исследований можно рекомендовать изучение влияния ш статическую работу бетонных плотин температурных воздействш строительного периода с учетом ползучих свойств бетона, а таган влияние разуплотнения основания на изменение его фильтрационные характеристик, т.е. решение задачи о напряженно-деформированно! состоянии системы сооружение - основание в статико-фильтрацион ной постановке. I'.- :г ^^'у :д/

По теме диссертации опубликованы следующие работы: .

1. Орехов В.Г. .Зерцалов М.Г.,Толстиков В.В. .Шипилов Ю.Я.' Испольао вание численных методов для изучения механизма разрушения систем штамп-основание.' Сб. научных трудов Сибирского отделения АН ССС "Аналитические и численные исследования в механике;горных пород" Новосибирск, 1986, стр. 93*95. / ; л': ;

2. Зерцалов М.Г. .Иванов В.А.:,Степанова Л.С..Толстиков Ё.В.; :;Иссле дование устойчивости подземной выработки в массиве, ослабление системой трещин. Межвузовский ; сборник научных трудов "Приложени численных методов к, задачам геомеханики", М., МИСИ, 1986 стр. 114+121.

3. Зерцалов М.Г. .Иванов В. А. .Степанова Л.С. .Толстиков В.В.' ' Исак дование разрушения системы штамп-основание в условиях сдвига с ,ис пользованием МКЭ. Межвузовский сборник научных трудов "Приложен! численных методов к задачам геомеханики"1 М.,я МИСИ, ' 198f стр.49+61 ■'_":'.'ч

4. Орехов В.Г..Зерцалов М.Г..Пигалев A.C..Саранчев . В.О..Толстига В.В..Шимельмиц Г.И. Исследование статической работы бетонной гр< витационной плотины Катунского гидроузла.; "Известия ВНИИГ им. E.I Веденеева", т. 199, Энергоатомиздат, Л., .1987, стр. 16*21.

Б. Орехов В.Г..Зерцалов М.Г..Шимельмиц Г.И..Баранов Е. С.'', Тол'стию В.В.,Артемова Н.Л. Исследование напряженного состояния,прочности устойчивости секции бетонной плотины . Богучанской : ГЭС.: "Извест ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева". т.204, Энергоатомиздат, Л., 1988,стр.5*

6. Орехов В.Г..Зерцалов М.Г.,Шимельмиц Г.И..Фишман Ю.А.,Толстик В.В. Исследование схемы разрушения системы бетонная плотина-скал ное основание. "Известия ВНИИГ им. Б.Е.Веденеева", т.204,„Энерго томиздат, Л., 1988,¿тр.71+76.

7. Зерцалов М.Г., Толстиков В.В. Реферат программного комплек "Трещина". Журнал "Механика грунтов, основания и фундаменты" N 1988, стр.36. ' ' ' - ' " '

8. Зерцалов М.Г., Толстяков В.В. Учет упругопластической работы бетонных плотин и скалышх оснований в расчетах с использованием МКЭ. йурнап "Гидротехническое строительство", N8, 1988, стр.33+36.

9. Зерцалов М.Г., Толстикоа В.В., Карнаухова Н.Л. Дилатансия трещиноватых скальных массивов и ее учет в рамках МКЭ. Межвузовский сборник "Численные методы в геомеханике и оптимальное проектирование фундаментов", МАРЛИ, Йошкар-Ола, 1989, стр.37+41.

10. Захаров В.Ф., Зерцалов М.Г., Орехов В.Г., Толстиков В.В., Шимельмиц Г.И. . Напряженно-деформированное состояние плотины Вурей-ской ГЭС с учетом очередности ее возведения. Сборник "Материалы конференций и совещаний по гидротехнике ПТТС-88", Л., Энергоато-миздат, 1989, стр.100+105.

И. Orekhov V.G., Shimelmlts G.I., Zakharov V.F., Zertsalov ty.G., Tolstikov V.V. Study of bearing capacity of concrete dams by numerical methods. Symposium on Analytical Evaluation of Dam Related Safety Problems., Copenhagen, 1989, p.162+172.

12. Зерцалов М.Г.', Толстиков В.В. Моделирование на основе МКЭ деформирования и разрушения скальных массивов с учетом их трещиноватости, анизотропии и структурной неоднородности. Тезисы докладов IX Всесоюзной конференции по механике горных пород, Фрунзе, 1989.

13. Орехов В.Г., Шимельмиц Г.Й., Захаров В.Ф., Зерцалов М.Г., Толстиков В.В., Карнаухова Н.Л. Оценка несущей способности бетон-' ной гравитационной плотины на слабом трещиноватом основании методом конечных элементов. Сб. трудов МИСИ "Надежность работы элементов гидротехнических и гидроэнергетических комплексов", М., 1990, стр.114+121..

14. Орехов В.Г., Шимельмиц Г.И., Захаров В.Ф., Мартинес A.M., Толстиков В,В., Шипилов Ю.Я. Исследование напряженного состояния , прочности и устойчивости бетонной плотины Богучанского гидроузла. Сб. научных трудов "Современные проблемы гидротехники", МИСИ, М., 1991, стр.227+244.

15. Орехов В.Г., Шимельмиц Г.И., Толстиков В.В., Карнаухова Н.Л. Исследования напряженно-деформированного состояния бетонной гравитационной плотины Бурейского гидроузла с учетам ее поэтапного возведения. Журнал "Энергетическое строительство" N6,1991, стр.61+53.

.......■ 1 11................ M I I - I I <р I

Подписано о печать 07.10,94 Формат 60x84Печать офсетная . И-178 Об-ьем I уч.-пял.л. Т. 100 Бесплатно

■ Московский государственный строительный университет. Типогряфил МГСУ. 129337, Москва, Ярославское п., 26