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

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

т О Л с т н к о в Виктор Васильевич

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ РАБОТЫ БЕТОННЫХ ПЛОТИН С УЧЕТОМ НАРУШЕНИЙ СПЛОШНОСТИ И УПРУШ1ЛАС1ИЧЕСКОЙ 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.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Орехов В.Г.

Офмршкннв оппоненты - доктор технических наук,

профессор Каганов Г.М. .

- кандидат технических наук Велоеяцшй A.M.

Ведущая организация - институт НИИЭС

Защита диссертации ссзстоится ¿"ЪМ/бу 1994 г. в час. мин. на ааседании диссертационного совета

Д.053.11.04 при Московском государственном строительном университете по адресу, Москва, Спартаковская ул., д.2, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв по адресу: 129337, Иоосва, ЯДОлажжоемоое, дсм ВВ, МПЯГ, учеммй оомет. • -

Автореферат разослан "¿У" ул^яоА*- 1994 г. А/ /ЗРС - JA>Z ■■

Ученый секретарь диссертационного совета

(ЬН-Арвеневский

- г -

- ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность теш обусловлена следующим состоянием вопроса: 1. комплекс "бетонная гравитационная' плотина - скальное основание имеет достаточное количество нарушений сплошности ( конструктивные И строительные ивы, контакт сооружения с массивом основания, крупные трещины в сооружении и массиве основания ), причем взаимные смещения частей сооружения ( блоков ) по этим нарушениям сплошности по крайней мере тагае значительны, как и их собственные деформации, особенно при анализе'статической работы сооружений в предельном состоянии. , Однако, бетонные плотины и их скальные основания при расчете как аналитическими, так и численными методами рассчитываются в основном как сплошные среды, несмотря на то, что трещинообразованиз 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 напря-, кенно-деформированном состоянии комплекса "плотина-основание" как , системы блокоп, испытывающих собственные деформации и взаимные смещения; '/ ' '

3. аналитическое построение решений МКЭ ¡задач о ¡1апряженно-деформированном состоят«! сложных систем отличается четкой математической формулирован и позволяет полностью автоматизировать вычислительный процесс, . однага, 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 создать программу для расчета напряженно-деформированного состояния комплекса плотина- основание с учетом нарушений сплошности и прочностных свойств

- э -

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 усовершенствовг. .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 конструкций и сооружений.-'".

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

- разработана модель упругопластического деформирования горных пород и бетонов, юэторая 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 за!сазам 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. рисунков, 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: г-

- упругопластическая модель поведения трещин и контактов, учитывающая возможность их раскрытия и закрытия ( в том числе и при разгрувке), проскальзывания контактов при сдвиговых деформациях с учетом трения и морфологии стенок трещин, что позволяет восп-• роизводить в расчетах явление дилатансии; Г. , • :

- упругопластическая модель деформирования горных пород и бе-? тонов в условиях различных напряженных состояний ( двухосное сжатие, сжатие-растяжение, растяжение ), характерных для совместной работы бетонных плотин и скальных оснований; .*

- результаты исследований статической работы гравитационный плотин трех крупных гидроузлов, которые позволили выявить особенности формирования напряженно-деформированного состояния, обуслов-т ленные влиянием нарушений сплошности и нелинейным поведением материала и обосновать отдельные конструктивные и технологические ре? шения. ; у\'г:

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ В первой главе рассмо'трены^инженерные свойства нарушений сплошности и некоторые современные подходы к их математическому . моделированию. Здесь же анализируется поведение горных пород и бетонов в условиях одноосного и многоосного нагружения и рассматривается ис-польэуемый в данных исследованиях критерий прочности. Во второй главе представлена методика и программа расчета напряженно-деформированного состояния сооружений, с учетом контактного взаимодействия по имеющимся нарушениям сплошности, которые представляются в расчетной схеме МКЭ контактным!: элементами. Получены выражения для матрицы жесткости СЮ модифицированного контактного элемента, вектора узловых усилий элемента Ш и подробный алгоритм моделирования нелинейных эффектов взаимодействия ( раскрытие и закрытие трещины, , проскальзывание контактирующих тел при сдвиге, учет дилагансии для шероховатых трещин ) на основе методов начальных напряжений и начальных деформаций. Даны зависимости позволяющие корректировать матрицу жесткости элемента, в соответствии с достигнутыми деформациями и состоянием трещины, что позволяет существенно ускорить сходимость итерационного процесса поиска решения. Приводится, разработанная для использования при расчетах ме- : тодом конечных элементов, упругопластическая модель, позволяющая в

, - б -

рамках плоской задачи учесть полную диаграмму поведения горных пород и бетона ( б-Ие) ),. включая стадию их запредельного деформирования, в условиях различных напряденных состояний. Рассматривается матрица жесткости 1К] четырехугольного элемента с дополнительными внеуаловыми степенями свободы для моделирования сплошной среды и приведен алгоритм решения упругопластической задачи в рамках общей процедуры ( на основе метода начальных напряжений ) совместно с решением контактной задачи. Приведено решение тестовых ЭаДаЧ.' .>•'.•.'.'.

Моделирование работы швов и трещин. При разработке программы МКЭ, учитывающей нарушения сплошности материала, был взят за основу линейный контактный элемент пред, ложенный Р.Гудманом, Р.Тэйлором, Т.Брекке. Элемент учитывает физическую сущность взаимодействия на контактах, согласно которой значение имеют не абсолютные, а относительные смещения границ блоков.

. Численная процедура учета нелинейных эффектов контактного взаимодействия состоит в следующем. • На первом щаге перемещения и напряжения вычисляются по характеристикам упругой части зависимостей бп-Г(V) и т3»Г(и). При этом, если растягивающее напряжение бг>т превышает предел прочности на растяжение Ир, контакт нарушается и образуется раскрытая трещина, которая уже не несет никакой нагрузки. Это приводит к перераспределению напряжений в окружающих элементах. Такое перераспределение достигается путем вычисления узловых сил, ликвидирующих напряжения в трещине, которые прикладываются на следующей итерации и являются, по существу, новым случаем нагружения.

Очередное распределение напряжений дает новое значение нормального напряжения бП(2). которое равно:

бП(2) » кп-У(2) + бо + АбП(1), (1)

аналогично касательное напряжение ТЭ(2) равно:

Г3(2) - к3-и<2> + то + ДТ3(1). (2)

где к3 и кп - удельные модули деформации в касательном и нормальном к трещине направлениях ( далее касательная и нормальная жесткости); бо и то • начальные напряжения. Невязки напряжений вычисляются как разница между упругими и истинными ( Ь данном, случае нулевыми ) напряжениями при достигнутых перемещениях: ' •

лбп(2) - - kn-v<2) - бо ; ЛТа(2) - " ks-U(2) - to (3) Для достижения истинного напряжения требуется несколько итераций. Зависимости (1), (2) и (3) можно записать в общем виде для "i -ой" итерации:

6n(i) - kn-V(i) + бо + йбпи-и; Лбп(1) - - kn-V(i) - бо; (4) tS(i) - ks-U(t) + to + üts(i-i); ütS(i) - - ks-U(i) - to. (5)

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

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

AtoO) -ír- ks-u<i) - to; (В)

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

üt8(t) - -tr - ks-U(i) - t0, (7)

где tr - Сг - 6n(i)'tg^r ~ остаточная.прочность при сдвиге.

Если в процессе деформирования перемещения превышают заданную величину закрытия Ущах то на каждой итерации при достигнутом ypoD-не напряжений бпц) корректируются относительные перемещения V(d. Невявка напряжений при этом равна:

Лбп(1) • бП(1) - kn-Vmx - бо. (8)

При моделировании дилатантных свойств трещины, находящейся в поле сжимающих напряжений 6П(i>» сначала определяется угол дила-тансии i о учетом типа трещины и направления сдвига, а затем учитывается поворот на угод 1 главной плоскости трещины. При смещении в касательном к трещине направлении на величину U(d, касательные напряжения с учетом дилатансии равны:

(ksn)2 , ksn , .

tS(i) - t ksg - —- 3-U(t) + ——( 6n(i) - бо ) + to, (fl)

где kss ■ ks'Coszi + kn-sinzi; ÍSn " ( ks-kn )-cosi-siní; knn - kn-coszl + ks-sin2i . а величина относительных перемещений в нормальном к трещине направлении равна:

ksn 1

V(i) - - —--U(i) + ——( 6n(i) - бо"). CIO)

knn . knn

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

ДбпО) - бп<1) - kn-V(i) - бо;

ütsCO " *s<i) " ks'U(i) - t0. (И)

Если в ходе решения напряжения т3п) превысят предельные значения, то невязки напряжений определяются зависимостями (6), (7). Нормальные деформации ограничены, по прежнему, величиной Ущлх и дополнительно величиной максимально возможного расширения трещины Уар, обусловленного высотой аубцов шероховатости стенок трещины. В случае если у<п > Уа0, невязка напряжений для коррекции относительных перемещений равна:

Л5п(1) - бп(1) - кп-Уар - б0. (12)

При уровне сжимающих напряжений бп(I) превышающем критическую величину бт , 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 (Дт3(п + 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. ?.. 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 б = (7е.) принимается в виде идеали-

v- 9 -

аированных диаграмм, , позволяющих моделировать идеально-пластическое поведение материала; разупрочняющийся материал с .бесконечной хрупкостью и материал с конечной хрупкостью.

Если напряжения в среде не превосходят заданного' предельного уровня, связь напряжений и деформаций описывается законом Гука.

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

В области сжатия и растяжения сжатия напряжения ограничены критерием Мора. Принята, при построении модели, параболическая огибающая кругов Мора предложенная С.Фэйрхерстом: :

■с2 - (т-1)2-Т-(Т-б). ш- C|S|/T + I)0'6 , (15)

где S - прочность материала на одноосное сжатие. Уравнение (15) можно записать, выразив через главные напряжения: . (бэ - 6i)z : „; г Ч 2Т (( ш-1 ч2 \-i

---2(ш-1)2,Т- I 1 +--{ —- ] , 18)

6i + бэ • ; i 6i + бэ u ,• 2 > >1 v

где 6i - максимальное главное напряжение ( растягивающее или

"наименьшее из сжимающих ); у ■■ ■ - ••■...'.

бэ - минимальное главное напряжение ( сжатие имеет знак "-"). При реализации модели среды с разупрочнением кривая остаточной прочности характеризуется уравнением:

бэсост) " бЗ(р) + Лбэ-( 1 - 6i/6i(N) ), (17)

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

2Т п м бэ(р)+ва

63(p)-2(m-l)z.T-fl ♦ —--{(—) - l}'

Принято, что при величине |6il > |бнм

+ 6i. (18)

вз(р)"б1

разупрочнения в ходе запредельного деформирования не происходит ( бзср •= бз<Р) ), что характерно для некоторых материалов ( 6j(N> - величина бокового обжатия, при которой невозможно хрупкое разрушение). Если же |6i| меньше величины |6kn) I, то снижение предельной величины бэ от б3(р) до бз(ост) принято линейным и определяется интерполяционным уравнением ( при деформациях |еэ| < |we3(y)I ):

__ бз{р) - вэ(ост) , v

бэсг) - бэюст) + —-——--( «£3(у) " ез ). (19)

(» - 1)-§Э(у) где ез(у) - предельная упругая деформация;

w - коэффициент, характеризующий наклон запредельной ветви

• кривой деформирования, определяемый как отношение пластической деформации, при которой достигается остаточная прочность, к упругой деформации, ; соответствующей пиковой прочности.

Если в выражении (17) принять Дбз-0, то реализуется модель идеально пластичного поведения материала. Если и-!, то не используя уравнение (19) , принимаем бз(Т) ",бз(ост)» независимо от величины достигнутых деформаций, . т.е. реализуется модель разупрочняющегося материала с бесконечной хрупкостью. При ю > 1 - модель разупрочняющегося материала с конечной хрупкостью. Для широкого класса горных пород и бетона величину '« можно принимать ( при отсутствии испытаний, с построением запредельной ветви диаграммы ) равной 2+з. •"" " '; '

% При действии растягивающих напряжений 61, выходящих за область допустимых значений , считаем, что в элементе образуется плоскость разрушения ( трещина или группа трещин ) нормальная к направлению действия 61 и элемент не воспринимает в этом направлении растягивающих напряжений, ; т.е. 61 си - 0. Значения напряжений бз( если они тоже выходят за область допустимых значений ) определяются следующим образом:

- при идеальной пластичности ; /

при разупрочняющейся среде 4

." •■: •:'•■'"■'Б ./ , ■ • •

63(Т> " —-—-—ЬЙЗ(У) - ез ). (21)

(» - 1)-еэсу)

В случае, если элемент разругается от всестороннего растяжения, бкт) - бз(Т) - О; Такт 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 бэ(7>, подсчитанных о помощью предлагаемой деформационной упругопдастической 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 невязки <Аб1> между полученными упругими напряжениями и допустимыми значениями напря-

жений ( бкт), 63(х) ), которые рассматриваются в качестве дополнительной нагрузки и начальных напряжений на очередной "i+1" итерации. Итерационный поиск решения осуществляется в рамках общей процедуры совместно ó решением контактной задачи. В третьей главе представлены результаты численного моделирования разрушения системы штамп-основание при сдвиге и устойчивости подземной выработки машзала гидроузла "Стратос". Результаты численных исследований сопоставлялись с результатами экспериментов на физических моделях, что позволило оценить сходимость и точность численного решения.

Результаты численного моделирования разрушения системы штамп-основание по схеме "плоского сдвига" ( что достигалось беа-моментным приложением сдвигающей- нагрузки и более . прочным Косн/Кшт^.О основанием ) показали хорошее совпадение между величинами предельной сдвигающей силы, полученными теоретически и экспериментально ( расхождение -~2Х ), и дали возможность, в рамках принятой модели, количественно оценить наблюдаемый в эксперименте процесс разрушения. В исследованиях по разрушению системы штамп-основание с моментным приложением нагрузки ( фактически моделировался скальный целик Roch/Rot-I-O ) было отмечено большее, по сравнению со случаем "плоского сдвига", расхождение результатов расчета с экспериментом ( -10Z. ). Тем не менее и в этих исследованиях оказалось возможным получить качественную, и количественную 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-руголластической постановке, с моделированием трещиноватости между скальными блоками контактными элементами, показали достаточно хорошую сходимость с результатами модельных исследований. Это доказывает наличие нарушенной зоны в сводовой части выработки как на моделях, так и в расчетах ( это не фиксируется в расчетах без учета трещиноватости массива ). По размерам эти зоны, в среднем,-отличаются на 10-172. Блочность и слоистость массива также одинаково влияют на формирование нарушенных зон, увеличивая их площадь -157. в сторону падения слоев. Как моделирование, так и расчет показали одинаковое влияние более прочного слоя пород, пересекающего машинный зал, что проявилось в локальном сокращении в 1.5*2,0 раза 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 бетонкой 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 мекстолбчатые швы, контактный шов медду плотиной и основанием и горизонтальная трещина в основании ).. При достаточно высоких прочностных и жесткостных характеристиках межстолбчатых швов ( кз-10,0 МПа/см; кп-Н5,0 МПа/см; С-0,2 МПа; ^9-0,75; Утах-1,0 им ) напряженно-деформированное состояние секции плотины является удовлетворительным. Снижение прочностных и жесткостных показателей этих швов ( например вследствие некачественной цементации кз-1,0 МПа/см; кп-2,5 МПа/см; С~0,01 МПа 6; Утах-5,0 мм ) приводит к существенной концентрации сжимающих напряжений в приконтактных 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 межстолбчатых швов, дальнейшему раскрытию контактного шва со стороны напорной грани ( длина трещины. Ьтр-12. Бм, раскрытие 5-4,85мм ), значительному росту горизонтальных смещений гребня плотины и некоторому уменьшению коэффициента устойчивости сооружения. -

Температурные воздействия ( зимнего периода эксплуатации сооружения ) приводят во всех рассмотренных случаях к раскрытию контакта, строительных швов со стороны низовой грани ( ЬгР«2,2+4,4м, 5 до 2,47мм ), а на верхних отметках и со стороны верховой грани ( Ьтр»2,2*Б,6м, б 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, бу, Хху 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: : Ltp=0,8*4,2m, 5 до 0,46мм - верховая грань и LTP до 2,0м, с 8 до 0,27мм - низовая грань. В приконтактных областях плотины и осно- , вания распределение напряжений практически не изменилось, по-срав- ' нению, со схемами при упругой работе бетона. Следует отметить, что во всех рассмотренных случаях раскрытия контактного шва ( Ltp" 7,6-12,Бм ) 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 возведения, не оказывает существенного ; влияния на общее напряженно-деформированное состояние, конструкций, 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. Так же 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»"ч0,62 МПа; бх» "1,56 МПа ). Зона растяжения в контактном.шве составила 5,5 м.'- . ... ,,.{г"

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 прикрн-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 ( прочив 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 протяжений, также находится в "сжатом состоянии", в то время как при .упругой работе

основания была получена зона растяжения длиной 5,5 метров. Макси. мальная 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 Бурейской ГЭС также было показано, ; что учет раскрытия, имеющихся в основании под напорной 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 "Зеягзсстроем" 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" створа и наличия в створе сооружения трещин бортового отпора и ар-гиллитовых прослоев в основании с пониженными жесткостными и прочностными характеристиками., Расчеты выполнялись для системы плотина-основание в объемной постановке при воздействии на сооружение гидростатической нагрузки, собственного веса бетона и фильтрационного давления на подошву. В скальном основании задавались фильтрационные гидродинамические «ты, которые, как и противодавление определялись из решения задачи объемной фильтрации ( при «2 основания равном 1 ). у;-- • ■ \ .

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 с 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 аргнллитовый прослой ( в вены где выше сдвиговые параметры ) привели к заметному повышению устойчивости плотины С

[<3=2,08 ), по сравнению с результатами расчета монолитного варианта, для которого коэффициент устойчивости имел существенно более низкое значение Кз-1.55.

. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Выполненные исследования напряженно-деформированного состояния бетонных гравитационных плотин показали,что использование разработанной методики учета в расчетах МКЭ нелинейных эффектов контактного взаимодействия ( с использованием контактных элементов ), является весьма эффективным способом оценки влияния 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 трещин 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 зависимости от механических свойств, варьируя исходные параметры модели, могут быть реализованы либо модель идеально пластического материала, либо модель разупрочняющегося материала с конечной или бесконечной хрупкостью.

3. Совместное использование обычных и контактных элементов, деформирование которых определяется предлагаемыми моделями, дает возможность рассматривать проблемы, связанные с прочностью и устойчивостью системы сооружение - скальный массив практически для любой структурной неоднородности и анизотропии с учетом нелинейной работы бетона и горных пород в запредельной стадии деформирования . '

4. Сравнение результатов экспериментальных исследований разрушения системы штамп - основание и устойчивости подземного машзана ГЭС с результатами соответствующих расчетов показывают, что разработанная методика и программа расчета позволяют практически полностью проследить характер статической работы сооружения при различных параметрах ослабленных швов и трещин и на различных стадиях нагружения. Это дает возможность, при постановке широких исследований, использовать расчетный метод с применением ЭВМ и существенно сократить трудоемкие экспериментальные иссле-

дования.

Б. При сопоставлении с 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 тресдан 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 трещины 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 ( К3= 2.0В ). 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-

нейшх исследований можно рекомендовать изучение влияния на' статическую работу бетонных плотин температурных воздействий строительного периода с учетом ползучих свойств бетона, а также влияние разуплотнения основания на изменение его фильтрационных характеристик, т.е. решение задачи о напряженно-деформированном состоянии системы сооружение -основание в статико-фильтрацюн-нсй постановке. \ V .'/;-..:.;■''''.: *-'■;*..'. '■-■/'С-

По теме диссертации опубликованы.следующие работы:.,; ' "

1. Орехов В.Г. .Зерцалов М.Г. .Толсгиков В.В. .Шипилов Ю.Я.' Использование численных методов для изучения механизма разрушения системы штамп-основание. Сб. научных трудов Сибирского отделения АН СССР "Аналитические и численные исследования в механике горных пород", Новосибирск, 1986, стр. 93*95. ', ' V'•'-.'.-'•••' '•• •

2. Зерцалов М.Г.,Иванов В.А..Степанова Л.С..Толстиков В.В. Исследование устойчивости подземной выработки в 'массиве, . ослабленном системой тренда. . Межвузовский . сборник научных трудов "Приложение численных методов к; задачам геомехаиики", М., МИСИ, 1986, стр. 114*121. - ' ,;"■/.', /'-'У/;'.';/ ^ ''.'■■"'' ''' "У"■.'-•\\ч Д.;'

3. Зерцалов М.Г.',Иванов В. А. .Степанова Л.С., Толстяков В. В.' " Исследование разрушения системы штамп-основание в условиях сдвига с использованием МКЭ. Межвузовский сборник научных трудов "Приложение численных методов к задачам 'геомеханики",' ' Ы.МИСИ, ' 1986, стр.49+61. . '..'._ . v'."-', '_';_

4. Орехов В.Г..Зерцалов М.Г.,Пигалев A.C..Саранчев . В.О. .Толстйкое В.В. .Шимельмиц Г.И. Исследование статической работы бетонной" гравитационной плотины Катунского гидроузла.- "Известия ВНИИГ им." Б.Е. Веденеева", т.199, Энергоатомиздат, Л. ,. 1987, стр. 16*21.'

'5. Орехов В.Г. .Зерцалов М.Г.'.Шимельмиц Г.И. .Баранов Е.С., "Голстико! В.В,.Артемова Н.Л. Исследование напряженного состояния,прочности i устойчивости секции бетонной плотины Богучанской ГЭС.- "Извести! ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева", т.204,.Энергоатомиздат,"Л., 1988,стр.5+1:

6. Орехов В.Г. .Зерцалов М.Г..Шимельмиц Г.И..Фишман Ю.А. .Толстиш В.В. Исследование схемы разрушения системы бетонная плотина-скальное основание. "Известия ВНИИГ vim. Б.Е.Веденеева", т.204, .Энергоа томлздаг, Л., 1988,¿тр.71*76. V

7. Зерцалов М.Г., Толстяков В.В. Реферат программного комплекс "Трещина". Журнал "Механика грунтов, основания и фундаменты" N5 1988, стр.36.

8. Зерцалов М.Г., Толстиков В.В. Учет упругопластической работы бетонных плотин и скальных оснований в расчетах с использованием МКЭ, Журнал "Гидротехническое строительство", N8, 1988, стр.33*36. , 9. Зерцалов М.Г., Толстиков 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., Ши-мельмиц Г.И. : Напряженно-деформированное состояние плотины Бурей-ской ГЭС с учетом очередности ее возведения. Сборник "Материалы конференций и совещаний по гидротехнике ПТТС-8В", Л., Энергоато-миздат, 1989, стр. 100+105.

11. Orekhov V.G., , shimelniits G. 1., Zakharov V.F., Zertsalov M.G., . Tolstlkov V.V. Study of bearlng capacity of concrete dams by nume-

rlcal 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 трепщнова-тости, анизотропии и структурной неоднородности. Тезисы докладов IX Всесоюзной конференции по механике горных пород, Фрунзе, 1989.

13. Орехов В.Г. , Шимельмиц Г.И.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 А.М., 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.il. , Толстиков В.В., Карнаухова Н.Л. , Исследования напряженно-деформированного состояния бетонной гравитационной паотины Бурейского гидроузла с учетом ее поэтапного возведения. Журнал "Энергетическое строительство" N0,1991, стр.61+53.

Подписано, в печать 07.10,94 Формат €Охв4*/16 Печать офсетная . И-178 Объем I Уч.-иэл.л. Т.100 Заказ^/ Бесплатно Московский государственный строительный университет. Типография МГСУ. 129337, Москва, Ярославское п., 26