автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Напряженно-деформированное состояние каменно-земляных плотин при сейсмических воздействиях

На правах рукописи

НГУЕН ФЫОНГ ЛАМ

НАПРЯЖЕННО - ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ КЛМ ЕННО-ЗЕМ ЛЯ НЫХ ПЛОТИН ПРИ СЕЙСМИЧЕСКИХ ВОЗДЕЙСТВИЯХ

Специальность - 05.23.07 - Гидротехническое строительство

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 9 дсн 7010

Москва-2010

004616960

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Рассказов Леонид Николаевич

Официальные оппоненты доктор технических наук, профессор

Зарецкий Юрий Константинович кандидат технических наук Олимпиев Дмитрий Николаевич

Ведущая организация ООО СПИИ «Гидроспецпроект»

Защита состоится » 2010 года в часоаД? минут на за-

седании диссертационного совета Д212.138.03 при ГОУВПО Московском государством строительном университете по адресу: 107066, Москва, ул. Спартаковская, д.2/1, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ГОУВПО Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан « » кЛ^/гЯ 2ою

г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Орехов Г.В.

Актуальность. Грунтовые плотины в настоящее время являются одним из основных типов подпорных сооружений, проектируемых и возводимых в районах высокой сейсмичности. Во Вьетнаме грунтовые плотины являются самым распространенным типом плотин. Значительная часть Вьетнама располагается в горных и сейсмически активных районах, почти все построенные и строящиеся плотины во Вьетнаме находятся в зоне 8-9-балльной сейсмичности (по шкале МБК-64). В настоящее время на этих территориях в больших масштабах ведется строительство. Гидроэнергетическое и водохозяйственное освоение горных рек предъявляет повышенные требования к обеспечению надежности и безопасности плотин. От сохранности плотин, особенно грунтовых, зависит сохранность всего гидроузла в целом, а аварии на таких плотинах вообще недопустимы, поскольку могут привести к тяжелейшим катастрофическим последствиям. В подобных условиях изучение влияния сейсмических воздействий на гидротехнические сооружения приобретает исключительно актуальное значение, особенно после тяжелых материальных и человеческих потерь, вызванных цунами и землетрясениями, которые произошли в Юго-восточной Азии в последнее время.

Во Вьетнаме построено много каменно-земляных плотин из местных материалов, в том числе высоконапорных, много плотин находятся на стадии строительства и проектирования (Хоа Бинь, Яли, Буон Туа Срах, Ан Выонг и др.). Почти все построенные плотины за время своей эксплуатации перенесли то или иное по силе землетрясение. Систематический мониторинг состояния и поведения грунтовых сооружений во время и после землетрясения позволяет заключить, что основными видами деформаций грунтовых плотин при землетрясениях являются: осадки и смещения гребня плотины, искривление его профиля в плане, разуплотнение поверхнокостных зон тела плотины, трещинооб-разование на гребне в виде продольных и поперечных трещин, оползание откосов, разжижение материала тела плотины, явления суффозии и контактного выпора, связанные с гидравлическим разрывом ядра и прочее.

Некоторые из перечисленных видов деформаций на плотинах, перенесших землетрясение, встречаются чаще, например, осадки, разуплотнения и трещины почти во всех случаях, некоторые - реже, например, оползания массивов верховой призмы вскоре после землетрясения, разжижения материала плотины или основания, гидравлический разрыв ядра и др. Преобладание тех или иных видов зависит от свойств материалов, конструктивных особенностей сооружения, формы и размера створа, а также от характера сейсмического воздействия.

Сложность математического описания поведения сооружения при землетрясении связана с большой неопределенностью в задании исходных данных для динамических расчетов плотин, начиная с неопределенности в задании расчетной акселерограммы, направлении и скорости подхода сейсмической волны к створу плотины, кончая неопределенностью в задании динамических свойств материалов, слагающих тело плотины и изменяющихся в зависимости от действующих в грунте напряжений. Это заставляет исследователей вносить в решение допущения и предположения. Тип этих допущений существенно влияет на

работу сооружения, поэтому темой данной работы стало возможное уменьшение количества допущений, вводимых в решение динамической задачи и исследование их роли в работе плотины.

В качестве основных факторов, влияющих на поведение сооружения при землетрясении были выделены:

- пространственный характер работы плотины, включая массив основания;

- наличие трехкомпонентной акселерограммы в записи расчетного сейсмического воздействия;

- скорость распространения сейсмической волны в основании плотины, зависящая от свойств основания и учет эффекта «бегущей волны» не только в направлении вдоль русла, но и для широких створов - в направлении вдоль гребня плотины;

- изменение динамических свойств грунтов тела плотины в зависимости ¡ от уровня действующих в плотине напряжений (на момент начала землетрясения);

- направление подхода сейсмической волны к оси плотины;

- избыточное поровое давление при сейсмических толчках, появляющееся не только в ядре плотины, но и в верховой призме.

Цель и задачи работы. Целью работы является исследование сейсмостойкости грунтовых плотин в пространственной постановке с учетом возможно большего числа' факторов, влияющих на их работоспособность. Для этого необходимо было решить следующие задачи.

1. Разработать применительно к МКЭ расчетную схему каменно-земляной плотины, учитывающей пространственность сейсмических колебаний конструкций.

2. Разработать алгоритм работы программного комплекса автоматизированного расчета на ЭВМ каменно-земляной плотины с основанием в пространственной постановке с учетом сейсмических воздействий.

3. Провести тестовые решения по программному комплексу в целях его апробации и сравнения полученных решений с существующими ранее.

4. Исследование влияния пространственных условий на характер собственных колебаний каменно-земляных плотин при разных формах створа, их протяженности, свойствах основания.

5. Исследование влияния эффекта «бегущей волны» и изменений скорости распространения сейсмической волны в основании плотины на величину динамических ускорений узлов плотины.

6. Исследование зависимости максимальных ускорений каменно-земляной плотины от направления сейсмических волн.

7. Исследование величины и времени существования избыточного порового давления в грунтовых плотинах при сейсмических воздействиях как в ядре плотины, так и в верховой призме.

8. Исследования напряженно-деформированного состояния каменно-земляных плотин при сейсмических воздействиях, задаваемых характерной трехкомпонентной акселерограммой.

Достоверность работы определяется многочисленными тестовыми задачами и их сопоставлением с теоретическими решениями, с решениями, приведенными в справочной и научно-технической литературе. На основе работы программного комплекса были получены частоты собственных колебаний ряда плотин, по которым имеются данные натурных наблюдений (к примеру плотина Яли), а также величины остаточных смещений в плотинах, перенесших землетрясения. Полученные решения дают хорошую сходимость с натурными данными.

Научная новизна данной диссертационной работы заключается в комплексном исследовании НДС каменно-земляной плотины при сейсмическом воздействии в условиях, максимально приближенных к действительности. Впервые в расчетах пространственного напряженно-деформированного состояния плотины были учтены и оценены следующие особенности работы плотины:

• В качестве расчетной модели рассматривалась модель совместной работы «плотина-основание».

• Число учитываемых форм собственных колебаний, влияющих на точность расчетов было доведено до 25-ти.

• Скорость распространения сейсмической волны в основании плотины варьировалась в диапазоне от бесконечно большой до значений, определяемых свойствами материалов в основании.

. • , Среди-всех .возможных направлений подхода сейсмической волны к створу плотины можно выделить наихудшее, связанное с максимальными ускорениями в плотине и наибольшими остаточными деформациями.

• Появление порового давления в верховой призме плотины может стать главной причиной явлений разжижения и проседания гравелистых и песчаных грунтов при сейсмических воздействиях. Время рассеивания избыточного порового давления может измеряться сутками, что делает необходимым учет этой величины в расчетах устойчивости откосов плотин после землетрясений.

• Основными критериями, оценивающими работоспособность плотины должны быть величины максимальных ускорений в плотине во время землетрясений, величины сейсмических сил и динамических напряжений, величины остаточных смещений в плотине после землетрясения, изменение прочностного состояния плотины после землетрясения должно оцениваться величиной коэффициента надежности и в проти-вофильтрационном элементе - величиной коэффициента надежности на трещинообразование.

Практическая значимость Комплексные исследования сейсмостойкости каменно-земляных плотин при сейсмических воздействиях дают возможность ответить на ряд вопросов, до сих пор, не нашедших математического описания в известных программных комплексах, такие как:

• Какие антисейсмические мероприятия следует проводить в плотине для снижения величины сейсмических ускорений в ней;

• Какую конструкцию дренажных лент и переходных зон следует предусматривать в плотине в целях снижения величин избыточного порового давления;

• Какие мероприятия следует проводить в целях повышения устойчивости откосов плотины при землетрясениях.

Внедрение результатов исследований:

В процессе работы над диссертацией было проведено исследование НДС глухой секции каменно-земляной плотины ГЭС Яли в СРВ при действии статических и сейсмических нагрузок с определением собственных форм и собственных значений.

Апробация работы:

Основные результаты работы были изложены в 3-х статьях:

1. Бестужева A.C., Нгуен Фыонг Лам. Динамический и спектральный методы определения сейсмической нагрузки, действующей на сооружение при землетрясении. // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ» №1/2010. -С. 155-168.

2. Рассказов JI. Н., Бестужева A.C., Нгуен Фыонг Лам. Учет «бегущей волны» в пространственных задачах сейсмоустойчивости грунтовых плотин. // Ежемесячный научно-технический журнал «Гидротехническое строительство» № 11/2010. - С. 47-53.

3. Рассказов Л. Н., Бестужева A.C., Нгуен Фыонг Лам. Поровое давление в грунтовых плотинах при сейсмических воздействиях. 7/ Ежемесячный научно-технический журнал «Гидротехническое строительство» № 11/2010. С. 54-59.

На защиту выносятся:

• Задачи комплексных исследований пространственного НДС каменно-земляных плотин в зонах высокой сейсмичности.

• Методика расчетов остаточных перемещений в плотине и изменения ее прочностного состояния после прохождения сейсмической волны.

• Основные критерии оценки прочностного и деформированного состояния плотины во время и после землетрясения.

• Анализ численных исследований собственных периодов и форм колебаний каменно-земляных плотин в пространственной постановке;

• Влияние пространственного характера колебания плотины на ее НДС при землетрясении.

• Необходимость учета скорости распространения сейсмической волны в основании (эффекта "бегущей волны") при исследованиях пространственного характера работы плотины в зоне высокой сейсмичности.

• Влияние направления подхода сейсмической волны к створу плотины на величину максимальных ускорений в ней.

• Необходимость оценки величины избыточного порового давления в плотине и в частности в верховой призме плотины для обеспечения устойчивости откосов после прохождения сейсмической волны.

Структура и объем работы:

Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка литературы из 100 наименований. Полный объем диссертации -183 страниц, включая 116 страниц текста, 43 страниц рисунков и 24стр таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы.

В главе 1 посвящена краткому обзору строительства каменно-земля-ных плотин и расчётов плотин на сейсмические воздействия динамическим методом.

Расчет сооружений на сейсмические нагрузки в настоящее время выполняется на основе двух методов. Первый - спектральный-квазидинамический, по которому сейсмическая сила определяется как максимально возможная величина, приложенная к центру тяжести расчетного элемента плотины. Второй - динамический, определяющий сейсмическую силу, как изменяющуюся во времени функцию, полученную на основе решения основного динамического уравнения колебаний сооружения при сейсмическом воздействии, заданном акселерограммой (или сейсмограммой). Изменение сейсмической силы во время прохождения сейсмической волны в каждом расчетном элементе плотины позволяет получить изменение ее напряженно-деформированного состояния, при этом могут использоваться различные теории прочности й деформируемости грунтов.

Квазидинамический метод определения расчетной сейсмической силы сегодня существует в двух разновидностях. Это метод спектра реакции и линейно-спектральная методика, принятая в СНиП П-7-81 *.

Сама идея спектрального метода расчета сейсмической нагрузки была высказана М.Био в 1933г. На основе записей акселерограмм реальных землетрясений им был предложен график для определения максимальных ускорений в конструкциях в зависимости от периода их собственных колебаний. Этот график был назван спектральной кривой. Основы спектрального метода были заложены в работах Хаузнера, Мартел,- Алфорда, Ньюмарка Н., С. Окамото. Расчетный аппарат этого метода развивался в работах К.С. Завриева, И.Л.Корчинского, СВ.Медведева, И.И.Гольденблата, Ш. Г.Напетваридзе. Были получены спектральные графики, позволяющие учесть затухание в системе, расстояние до эпицентра, параметры внешнего воздействия.

Одной из разновидностей квазидинамического метода является метод спектра реакции, которым пользуются, в частности, в странах Юго-восточной Азии (Вьетнам, Лаос), в странах Ближнего Востока и Латинской Америки. Согласно этому методу для определения величины сейсмической силы необходимо иметь акселерограмму расчетного землетрясения и построенную на ее основе кривую спектра ускорений возможного землетрясения. Определение максимальной сейсмической силы в сооружении по ¡-тону колебаний по спектрам ускорений производится по формуле:

5тахк,^ = Шк у ц^у Г| (1)

Где у тах>у _ максимальное ускорение колебания маятника с ¡-частотой собственных колебаний при заданном динамическом воздействии, определяется на основе спектра расчетной акселерограммы.

Лк,ц - коэффициент формы колебаний, определяемый по формулам СНиП и, зависящий от формы деформации механической системы при ее свободных колебаниях по 1 -тону в]-направлении.

В связи с расширением возможностей инструментальной записи ускорений почвы при землетрясениях, в разных странах накапливаются базы данных по расчетным сейсмическим воздействиям, по их спектрам, характерным для конкретных геологических условий. На их основе в инженерную практику расчетов сейсмических нагрузок (для предварительной стадии) все шире входят методы определения величин сейсмических сил согласно (1). Во Вьетнаме метод спектра реакции является основным расчетным методом, использующимся при проектировании сооружений в сейсмоопасных зонах.

Линейно-спектральный метод (ЛСМ). Часто при расчетах сооружений, особенно на предварительной стадии проектирования, данными по возможному характеру землетрясения не располагают. В этом случае расчет по линейно-спектральной методике предполагает использование стандартных спектральных кривых для коэффициента динамичности Р(Т), которые приведены в СНиП Н-7-81* в виде графиков, а также в виде аппроксимирующих эти графики формул. Значение коэффициента динамичности по этим графикам может быть получено после определения периодов и частот собственных колебаний сооружения. В качестве исходных данных должны быть также заданы: - расчетная сейсмичность площадки строительства (1о), определенная на основе принципа микросейсморайонирования, выраженная по шкале М8К-64 в баллах; - свойства грунтов основания сооружения, приведенные по обобщенным показателям к одной из трех категорий.

Максимальная величина сейсмической силы определяется для каждой учитываемой формы колебаний по формуле:

8тахк>д = к1 кг^ОкАоР;!!^ (2)

где к! к2 Ц, - понижающие коэффициенты; Ск - вес рассматриваемого элемента конструкции, С}к= ш^; Ао — ускорение (§).

Если расчет ведется для сооружения, работающего совместно с водой, то вся масса воды, участвующая в колебаниях должна учитываться как дополнительный вес присоединенной к расчетному элементу массы воды, Рк=(Зк+Окв0ды-В связи с тем, что квазидинамические методы не учитывают изменения НДС сооружения во время землетрясения и изменения при этом реальных свойств грунтов, СНиП П-7-81* предусматривает для сооружений 1 класса проведение расчетов на основе МКЭ по динамическому методу, когда решается динамическая задача колебаний сооружения при землетрясении вида:

[М]{г} + [С]{г} + [К]{г] = -{Мх}0ОхЮ - {Му}иоуЮ - {М2}и02Ю (3) где [М], [С], [К] - соответственно матрицы масс, затухания, жесткости; {г} -вектор смещения узловых точек относительно неподвижного основания; {М*}, {МУ}, {Мг} - столбцы масс, определяющие инерционные нагрузки по коорди-

натным осям X, У, Ъ\ 0ОХ(0,0оу0:), 0О2С0 - компоненты сейсмических ускорений по координатным осям X, У, Ъ.

Развитие динамических методов расчета сооружений началось еще в недрах квазидинамического. Использование линейно-спектральной теории требует знания форм и значений собственных колебаний плотины. Теоретические положения по определению форм собственных колебаний (ФСК) разработаны в различных разделах математики (решение векового уравнения) и построены на идеях Якоби, Шварца, Пиккарда и др. и получили широкое развитие в численных методах. До начала эры компьютеров некоторые ученые решали вековое уравнение, используя различные приближение приемы. Здесь в первую очередь можно выделить А.П.Синицина, который предложил в качестве ФСК использовать линии влияния и Ш. Г. Напетваридзе, получившего формулы для определения периодов первых тонов ФСК для плотин и других конструкции. В прикладных областях науки широкое развитие получили экспериментальные методы определения ФСК на моделях и в натурных условиях. . Здесь следует выделить работы Ш.Г.Напетваридзе, Н.Н.Амбрасейса, П.И. Годциенко и Г.Э.Шаблинского, которые использовали резонансный метод определения ФСК.

Решение задачи сейсмостойкости грунтовых сооружений динамическими методами во всех случаях предполагает решение основного дифференциального уравнения колебаний сооружения при внешнем воздействии, заданном согласно расчетной акселерограмме. При этом существуют разные подходы к решению этого уравнения - по явной схеме при одновременном пересчете напряжений и деформаций согласно принятой теории пластического течения с упрочнением (Ю.К.Зарецкий, В.НЛомбардо) и по неявной - в ходе раздельного решения динамических уравнений колебаний и уравнений физического состояния грунта согласно принятой «энергетической» модели (Л.Н.Рассказов).

В рамках линейно-упругой среды для отражения нелинейного характера деформирования вводят зависимость динамических деформационных характеристик от напряженного состояния (деформационная модель грунта). На той же идее основаны вычислительные методы с переменной матрицей жесткости, которые широко используются и в настоящее время.

Изучение волновых процессов в твердых телах как упруго-пластических средах было начато Х.А.Рахматулиным и Г.Тейлором, продолжено в работах А.О.Ишлинского, В.В.Соколовского, Ляхова, Новицкого. Для грунтовых материалов модель упруго-пластической среды с линейными диаграммами нагрузки и разгрузки использовал Б.А.Олисов, в работах Г.Н.Белгородской была применена диаграмма Прандтля для определения остаточных деформаций в плотине после землетрясения. Косвенно идеи этого метода используются широко и в настоящее время. Для решения волновых задач динамики грунтов в 60-х годах С.С.Григоряном была предложена модель упруго-пластической среды, по которой объемные деформации зависели только от среднего нормального напряжения, сдвиговые деформации в допредельном состоянии описывались моделью линейно-упругой среда, в предельном состоянии развитие пластических сдви-

говых деформаций списывалось соотношениями Прандля-Рейса-Григоряна с условием пластичности Мизеса-Шлейхера-Боткина.

С развитием численных методов и вычислительной техники появилась возможность решать вопросы сейсмостойкости грунтовых плотин с использованием зависимостей, полученных в ходе экспериментальных исследований грунтов в сложном напряженном состоянии. На этой основе была создана деформационная теория пластичности. Класс деформационных моделей очень широк.

Описание пластических деформаций грунта, основанное на понятии о поверхности нагружения, в механике сплошных сред осуществляется в рамках двух основных типов моделей. Один тип - более простой, модель идеальной упруго-пластической среды, в которой принимается, что поверхность нагружения фиксирована и не зависит от изменения пластических деформаций. Второй тип - упрочняющейся пластической среды, в которой происходит трансформация поверхности нагружения в процессе развития объемных пластических деформаций, а также сдвиговых, вызывающих дилатансию.

Первыми работами в СССР в области создания теории пластического упрочненная грунтов были исследования В.А.Иоселевича, Б.И.Дидуха, которые показали, что в процессе нагружения функция поверхности наружения меняется. Эти исследования были продолжены в работах И.Н.Иващенко, М.Захарова, В.А.Иоселевича, Л.Н.Рассказова, Ю.М.Сысоева, В.Н.Лятхера, Ю.К.Зарецкого, В. Н. Ломбардо и др. В 1983г вышла в свет книга Ю.К.Зарецкого и В.НЛомбардо «Статика и динамика грунтовых плотин», определившая одно из российском отечественной науки динамики грунтов. Разработанная Ю.К. Зарецким, В.Н.Ломбардо, М.Е.Грошевым модель грунта, основанная на теории пластического течения с упрочнением применяется в расчетах сооружений, совершенствуется и модернизируется вплоть до настоящего времени.

Другой моделью грунта, нашедшее широкре применение в расчетной практике и ставшей основой для дальнейших научных разработок (МИСИ-МГСУ), является модель грунта профессора Л.Н.Рассказова, получившая название «энергетической» по энергетическому условию прочности. На основе этой модели были решены задачи плоского и пространственного напряженного состояния грунтовой плотины при сейсмическом воздействии, заданном акселерограммой (А.С.Бестужева, А.М.Абарин, М.П.Саинов).

До последнего времени возникновение порового давления при сейсмических нагрузках изучалось только в песчаных и глинистых грунтах, так как считалось, что в крупнообломочных грунтах, обладающих большим коэффициентом фильтрации и малой сжимаемостью, сколько-нибудь значительного порового давления не возникает, к тому же оно практически сразу затухает за счет высокой фильтрации. Между тем, данные по натурным наблюдениям за деформациями каменно-земляных плотин, перенесшим землетрясения (оползания откосов и трещины), говорят о необходимости дополнительных исследований данного вопроса.

Повышение порового давления при сейсмических воздействиях происходит как в противофильтрационном элементе плотины, так и в призме. Повышение порового давления в верховой призме, ранее считавшееся несущественным из-за его быстрого рассеивания (при высоком значении коэффициента фильтрации), в настоящее время рассматривается как главная причина таких распространенных явлений в водонасыщенных грунтах - как разжижение сыпучих грунтов при землетрясении. Потеря несущей способности грунта в верховой призме ведет к формированию поверхностей обрушения на верховом откосе, к появлению трещин вдоль гребня плотины. Исследованием порового давления в связных грунтах занимались A.A. Ничипорович, Т.Н. Цыбульник, поровым давлением при динамических нагрузках в песчаных и крупнозернистых грунтах занимались Иванов П.Л, Лятхер , Мельник В.Г., Зарецкий Ю.К. и др.

Физические уравнения, описывающие процесс изменения порового давления в элементах плотины при статических и динамических нагрузках получены на основе теории фильтрационной консолидации, разработанной В.А. Флориным. Уравнение консолидации трехфазной земляной среды для"условий плоской деформации имеет вид:

где е- коэффициент пористости; ß - коэффициент водоотдачи и водопо-: глощения грунта; Рв'-поровое давление; к"ф - коэффициент фильтрации в горизонтальном направлении; Щ— то же, в вертикальном направлении; Н - напорная функция; t- время.

Приняв допущение по анизотропии укладываемых в тело плотины грунтов, A.A. Ничипорович совместно с Т.И. Цыбульник получили решение одномерной задачи о консолидации в замкнутом виде.

В главе 2 описываются основные положения принятой модели грунта, методов расчета динамической задачи с учетом скорости распространения сейсмической волны в основании плотины. Приводится методика определения остаточных перемещений и оценки прочностного состояния плотины после землетрясения, предлагаются критерии оценки устойчивости и прочности плотины с основанием в пространственной постановке (смотри ниже).

Исследование устойчивости и прочности грунтовых плотин при действии сейсмических сил является одним из важных этапов проектирования плотин в сейсмически опасных районах. Часто именно особенности работы плотин в сейсмических условиях и определяют их конструкции (особенно если сейсмическое воздействие более 8 баллов.

Для грунтового сооружения характер деформирования (связь o=f(£)) описывается нелинейной зависимостью, в которой участвуют упругие, упруго-пластические и вязкие деформации, протекающие в грунтовой среде под нагрузкой. В качестве расчетной принята «энергетическая» модель грунта проф. Рассказова JI.H., устанавливающая связь между приращениями тензоров напряжений и деформаций, основанная на энергетическом условии прочности:

(4)

и0 + fL1 a(t). de(t) = fL2 Smn(t). demn (t) (5)

где Uo - энергия связности грунта и энергия, накопленная на всём пути предыстории нагружения ; c(t) - среднее напряжение; е (t) - объёмная деформация; Smn (t), emn - компоненты девиаторов напряжений и деформаций; L -параметры пути нагружения, если они заданы функционально. Здесь

fL1 a(t).de(t) - энергия объёмного сжатия, /i2 5mn(t). demn (t) - энергия формоизменения.

Коэффициент надёжности грунта в рассматриваемой записывается соот-U0{t) + \a{t)de{t)

ношением KH(t)= —;—---(6)

Js„„(fX„M

12

Процесс динамического нагружения материала протекает на фоне статической работы конструкции. Поэтому первым шагом в решении поставленной задачи является определение напряженно-деформированногЪ состояния (НДС) плотины на момент начала землетрясения. При кратковременном динамическом воздействии, каким чаще всего и является землетрясение, можно принять, что грунтовый материал тела плотины ведет себя упруго. Решение динамической задачи в упругой постановке позволяет получить наихудшую картину изменения напряженного состояния, плотины во время землетрясения. По пульсациям сейсмическихускорений в элементах плотины, может быть определена максимальная сейсмическая нагрузка как инерционная сила, изменяющаяся во времени.

Часто при решении динамических задач для бетонных плотин и невысоких грунтовых сооружений принимается, что все элементы в основании плотины перемещаются как одно целое, как будто плотина расположена на жесткой платформе, которая претерпевает сейсмические колебания с ускорениями согласно заданной акселерограмме. В действительности это не так. Грунтовые сооружения, сильно распластанные по основанию, имеют ширину, сопоставимую с длиной сейсмической волны, что означает, что в основании плотины при землетрясении могут действовать ускорения не только различные по величине, но и разного знака. Необходимость учета этого обстоятельства, названного эффектом «бегущей волны», для высоких грунтовых плотин была высказана рядом ученых (Chopra А.К., Dibaj M., Clough R., Penzien J., Seed H.) еще в 1969г. С 80-х годов этот вопрос исследовался в работах на кафедре гидросооружений в МИСИ-МГСУ.

Учет эффекта «бегущей волны» в сильно распластанных по основанию сооружениях при продольном (вдоль русла) направлении подхода сейсмической волны, приводит к увеличению их сейсмоустойчивости. Ввиду ограниченности размеров бетонных плотин по основанию и большой скорости сейсмических волн в скальных грунтах, учет «бегущей волны» при расчетах бетонных плотинах в плоской постановке никогда не рассматривался. Сегодня, при наличии мощных вычислительных машин, появилась возможность решения динамических задач в пространственной постановке при любом направлении под-

хода сейсмической волны к створу плотины. Это позволяет взглянуть на эффект «бегущей волны» также и для бетонных сооружений, сильно вытянутых по створу, когда направление распространения волны совпадает с осью створа плотины. В этом случает эффект «бегущей волны» будет проявляться в работе сооружений любого типа и любой высоты. Особенно актуальными такие расчеты могут оказаться для исследования сейсмостойкости контрфорсных плотин, а также арочных и гравитационных плотин.

Уравнение движения с учетом скорости распространения волны в основании сооружения (вдоль оси х) имеет вид:

т> т т

4=1 Ы Ы

(7)

где (') = #«('-у)

число узлов на контакте с недеформируемым основанием; хк - абсцисса к-го узла в основании плотины; V - скорость распространения сейсмической волны в основании плотины; {Ь3ы} вектор влияния, т.е. вектор смещения

узловых точек в плотине при смещении к-го узла основания в направлении Хна

ь

-1; вектор ускорений узлов основания в момент времени I, полученный

с учетом времени добегания сейсмической волны до рассматриваемого узла (по направлению х).

Учет скорости распространения сейсмической волны в перпендикулярном направлении Ъ ведет к изменению ускорений в узлах основания за счет смены координаты хк на гк. При произвольном направлении подхода сейсмической волны к створу плотины ускорение в основании может быть получено по правилу параллелограмма.

При больших скоростях распространения сейсмических волн в основании плотины (крепкие скальные породы) эффект от учета бегущей волны снижается, а при V—>оо решение будет соответствовать динамической задаче без учета «бегущей волны».

Вектора влияния {Ьзк-2};{Ьзы};{Ьзк}, представляющие собой столбцы матрицы влияния [Ьк] могут быть найдены в ходе решения системы алгебраических уравнений:

[К][Ьк] = -[Чк] (8)

Где [К] - матрица жесткости системы;

[Як] - окаймляющая часть матрицы жесткости, построенная для закрепленных узлов в основании.

Решение динамического уравнения (7) проводится по неявной схеме с определением форм и частот собственных колебаний конструкции.

Полученная в ходе решения динамической задачи сейсмическая нагрузка является изменяющейся во времени функцией, определяющей путь нагружения материала в каждом элементе плотины. Наряду со всеми прочими нагрузками и силами, действующими на сооружение, она может быть использована в физической модели грунта.

Поровое давлении. Избыточное поровое давление в противофильтрацион-ном элементе плотины в конце строительного периода и до окончания наполнения водохранилища присутствует всегда. Однако, по мере оттока поровой жидкости через дренажную систему переходных зон, оно рассеивается, грунт при этом оседает. Процесс консолидации происходит до тех пор, пока не начнет расти гидростатическое давление в ядре, связанное с подъемом уровня верхнего бьефа и фильтрацией через ядро.

В работе учет сил порового давления производится на этапах статической работы плотины, эти силы формируют напряженно-деформированное состояние плотины на момент начала землетрясения. Под действием сейсмической нагрузки поровое давление начинает расти. Расчет сил порового давления производится по формулам, полученным A.A. Ничипорович и Т.И. Цыбульник для одномерной задачи консолидации в виде:

р„ = £ _e-<VK)L^tZf); (9)

w w 21у -

где |i= и2с1А1у\ с = а(1 + Еср)^ф/уоа - коэффициент консолидации. Величина а = - Ае/До, как и е, а, принимается постоянной и равной среднему значению в диапазоне изменения напряжений с от 0 до максимальных на рассматриваемом уровне у. Величину а лучше определять из опытов в приборе трехосного сжатия.

Скорость нарастания нагрузки равна: иа = (10)

* ....... ......

где с (у,/к) - максимальное среднее напряжение /к на уровне j>; ty - время строительства ядра до уровня Н -у.

К-х,

Pb,S =УГо

'-ft. (11)

2ly " л-^tf i3 21у

где V = Н, / (ts -1„) - скорость подъема воды в верхнем бьефе (здесь Я, - напор на сооружение; г„, ts - моменты времени, соответствующие началу и окончанию наполнения водохранилища); ts,y - время, соответствующее наполнению до уровня у, a(f) = а + (- 1)'(1 - а), при/четных а(г')= 1, при г нечетных а(0 = 2а-1.

Использование в пространственной задаче напряженно-деформированного состояния плотины плоской модели движения фильтрационного потока (из верхнего бьефа в нижний бьеф) не противоречит постановке приведенного в работе примера. Поскольку борта и основание плотины представлены крепкими, малотрещиноватыми скальными породами, то движения фильтрационного потока по направлению к бортам нет. Более того. Плоская задача в фильтрационном отношении может быть сведена к одномерной, если принять условие горизонтального оттока воды, что равносильно учету большой фильтрационной анизотропии в грунте, когда кф*» кфу. Это допущение справедливо для большинства ядер плотин, возводимых методом послойного уплотнения. Исследования показали, что в них соотношение коэффициентов фильтрации составляет 10 и более.

При землетрясении расчет порового давления производится по величине приращения сейсмической нагрузки подобно изменению нагрузки от собственного веса. В каждый момент времени, соответствующий шагу оцифровки аксе-

лерограммы (ДР=0.005с), в плотине под действием сейсмической силы происходит изменение напряженного состояния, которое, в случае положительного приращения напряжений, вызывает рост порового давления. При этом предполагается, что снижение порового давления в рассматриваемом элементе может происходить только вследствие оттока избыточной поровой воды из грунта, т.е. рассеивание порового давления, как в ядре, так и в призме зависит от скорости фильтрации рассматриваемого грунта.

Пульсация сил порового давления в узлах плотины также участвует в сборе всех динамических нагрузок, действующих на плотину во время землетрясения.

Для грунтового сооружения характер деформирования (связь а=Г(е)) описывается нелинейной зависимостью, в которой участвуют упругие, упруго-пластические и вязкие деформации, протекающие в грунтовой среде под нагрузкой. На каждом шаге по времени, что совпадает с шагом оцифровки акселерограммы А^ производится оценка состояния грунта по отношению к предельному, т.е. согласно принятому «энергетическому» условию прочности (5) рассчитывается коэффициент надежности в элементах плотины.

Состояние "нагрузка-разгрузка" для грунта определяется согласно следующим условиям. За критерий нагружения принимается выполнение одного из неравенств

ёЭ > 0 или ёКн< 0 (11)

где ёЭ - приращение энергии объемного сжатия в элементе; <ЖН- изменение Кн в элементе при последующем шаге нагружения.

Пластические деформации после каждого шага-нагружения накапливаются и к концу землетрясения определяют полную величину остаточных деформаций в плотине.

При расчетах напряженно-деформированного состояния грунтовых плотин, как правило, основными критериями работоспособности являются величины напряжений и величины остаточных деформаций. Однако, только этих величин недостаточно для того, чтобы судить об уровне надежности и безопасности сооружения. В грунтовых плотинах, где процесс многократного «нагружения и разгрузки» при землетрясении протекает не упруго, важным критерием этого является параметр прочностного состояния грунта, который в энергетической модели назван коэффициентом надежности - Кн. Этот параметр определяет запас прочности в грунте по отношению к предельному, и равенство Кн=1 означает предельное состояние грунта.

Прочностное состояние грунта в каждой точке плотины во время землетрясения меняется ежемоментно, то приближаясь к предельному состоянию, то удаляясь от него, что говорит о формировании областей течения материала. В зависимости от того, в каком направлении развивается картина изменения прочностного состояния в той или иной зоне плотины, можно судить об уровне безопасности сооружения при возможных повторных сейсмических воздействиях.

Решение задачи можно считать законченным, если проведены все расчеты на выбранные акселерограммы с учетом их повторяемости в районе строи-

тельства или, когда остаточные перемещения остановятся выше допустимых из условий эксплуатации сооружения.

В главе 3 представлена структура программного комплекса, приведены результаты тестовых расчетов и численных экспериментов. Для расчетов НДС каменно-земляных плотин при сейсмических воздействиях была разработана численная методика и реализующий её комплекс вычислительных программ "ЗЕКМГС-ОАМРгЗО" на языке ОЕ1Л>Н1-7.0. Два программных модуля, связанны вместе, чтобы решать статические и динамические задачи с использованием пространственного 8-узлового элемента.

В качестве исходной информации при решении задачи с помощью МКЭ и МЛВ задаются: схема дискретизации конструкции - количество элементов и узлов в сетке, типы элементов, топология элементов (связь номеров элементов и номеров его узлов); граничные условия по закреплению узлов; геометрия конструкции - координаты узлов сетки; акселерограмма и скорость распространения сейсмической волны в основании плотины; величины и место приложения внешних нагрузок.

В результате решения задачи НДС плотины получаем: величины остаточных перемещений в узлах сетки конструкции, картину напряженного и прочностного состояния плотины после землетрясения.. Кроме этого в программе предусмотрены возможности получения дополнительной информации по распределению напряжений и коэффициентов надежности в плотане на контрольные моменты времени или значений пульсации напряжений и коэффициентов надежности в выбранных элементах плотины во время землетрясения.

Для проверки работы программы были проведены тестовые расчёты, показавшие хорошую сходимость результатов с результатами экспериментов и расчетов по иным программам.

В третьей главе были проведены численные эксперименты по сравнению величин сейсмических нагрузок, действующих на высотное здание, полученных разными методами: квазидинамическим (ЛСМ) по формулам (1) и (2) и динамическим по формуле (3). Проведено исследование влияния на величину сейсмической нагрузки таких факторов, как количество учитываемых форм собственных колебаний, характера и направления внешнего воздействия, величины затухания в системе, формы сооружения, угла подхода сейсмической волны к сооружению.

Для варианта каменно-земляной плотины переменной высоты проведено сопоставление периодов собственных колебаний для плоской и пространственной задач (рис.1).

Для плотин разной высоты проведено исследование влияния скорости распространения сейсмической волны на максимальные ускорения узла на гребне плотины (рис.2). Кроме этого проведена оценка влияния на ускорения гребня плотины таких факторов как форма створа и направление подхода сейсмической волны к створу плотины (рис. 3,4).

Рис 1. Периоды собственных колебаний плотины в плоской (2И) и пространственной постановке (ЗЭ)

Рис 2.

I 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7ООО 8000 9000 10000

скорость «бегущей волны» - Ув (м/с) — Без учёта "бегущей волны" -20 Без учёта "бегущей волны" -30 "бегущей волны" -20 -"бегущей волны" -30

Влияние скорости распространения сейсмической волны на ускорения гребня плотины.

0.6

0.5

0.4

ч 0.3

с 0.2

0.1

О

—в—плоская задача -»-Z=6H_, -*-Z=1.5tf 3D ----J=IHJ

u. — I- , I

— . ^J _

123456789 10 11

№ формы

Рис 3. Периоды собственных колебаний плотин в разных по ширине створах

«•*»•• 2D- С бегущей волны «=1500 м/с2 2D- бе» бегущей волны

30 - 6«г мш —3Ü - С 6егуш,«й волны v=1300 w/cZ

Рис 4. . Изменение ускорений на гребне плотины (Н=100м) в зависимости от

формы каньона и учета «бегущей волны» С целью отработки методики расчетов порового давления, возникающего в ядре и верховой призме плотины при сейсмическом воздействии была решена задача для 100-метровой каменно-земляной плотины с коэффициентами фильтрации для ядра 10"7см/с и для призмы-10"2см/с. Расчеты показали, что период полу-рассеивания максимального порового давления в центральной зоне ядра составляет около 100 суток, а для призмы - около 3-х суток, что явилось новым в понимании возможной причины оползания откосов плотины после землетрясения.

У(«1)

ггатическое давление в воде I изменения порового давления при --— в верховой призме фунтов сейсмических воздействиях ^

Рис 5. Максимальное порового давления в ядре и верховой призме после землетрясения (т.А) и его рассеивание.

Для выявления влияния числа учитываемых ФСК на результаты решения задачи, были определены 25 ФСК для взрывонабросной плотин, часть из которых представлена на эпюрах в диссертационной работе. Результаты исследований представлены на рис.6.

Учет "бегущей волны" изменяет также картину остаточных перемещений в плотине (рис.7). В работе дается анализ полученных результатов и вывод о том, что уменьшение скорости распространения сейсмической волны приводит к более благополучным условиям работы сооружений и уменьшает возможность резонансных явлений в ней.

Рис

6. Сетки МКЭ и периоды собственных колебаний плотин при решении пространственной задачи (Н=100м)

Рис 7. Изменение максимального ускорений в точках плотины (100м) в зависимости от направления . Три возможных направления подхода сейсмической волны к створу плотины: вдоль русла (в= 0°), «бортовое»

направление

вдоль

створа

плотины (9= 90), под углом к створу ~(в= 45°).

максимальное ускорение в узлах по оси ядра (м/с2)

В работе также производится анализ нарастания остаточных перемещений в плотине и распределение коэффициентов надежности (Кн). Результаты расчетов представлены на рис. 8 и 9.

Рис 8. Остаточные вертикальные динамические перемещения (м) после землетрясения при направлении подхода сейсмической волны в= 00

| Щ 1.021 Ш1.268 □ 1 -516 О 1.763 О 2.01 2.288 ЕЗ 2.505 В 2.763 Щ 3 |_>3

Рис 9. Распределение коэффициентов надежности (К^ в теле плотины после землетрясения при направлении подхода сейсмической волны в= 0°

В главе 4 проводится исследование устойчивости к прочности сверхвысокой, неоднородной каменно-земляной плотины Яли (СРВ) высотой 65 м на сейсмическое воздействие согласно расчетной акселерограмме (Рис 10). Эти исследования позволяют прогнозировать развитие остаточных деформаций в плотине при различных вариантах сейсмических воздействий в пространственной постановке.

Рис 10. Сетка МКЭ плотины Яли Рис 11. Периоды собственных ко-

(СРВ). лебаний камено-земляной плотины

Яли

Правильная оценка работоспособности плотины во многом зависит от правильности назначения динамических характеристик грунтов.. В работе дано сопоставление расчетных значений периодов и ФСК для пространственной задачи (30). Результаты представлены на рис. 11.

В работе показаны величины остаточных перемещений и коэффициентов надежности (Кн) в теле плотины Яли после землетрясения (Рис 12,13).

после землетрясения (м).

Рис 13. Распределение коэффициентов надежности (Кн) в теле плотины Яли

после землетрясения.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. При решении задачи сейсмостойкого строительства возникает достаточно много проблем, и прежде всего - с заданием исходной информации для расчетов: выбор расчетной акселерограммы, выбор угла подхода сейсмической волны к сооружению, выбор динамических характеристик материалов тела плотины и т.д. Для решения этих проблем, вводятся допущения. Тип допущений существенно влияет на работу плотины. Задачей данной диссертации являлось максимальное снижение числа вводимых в расчеты допущений и выявление их роли в оценке работы плотины.

2. Учет пространственное™ в работе плотины выявил увеличение плотности распределения периодов собственных колебаний плотины, что повлекло за собой требование к увеличению числа учитываемых в расчетах форм колебаний. В данной работе число учитываемых форм было доведено до 25. Основной тон колебаний в пространственной задаче чуть ниже основного тона колебаний в плоской задаче. Расчеты показали, что необходимое число учитываемых в расчетах форм собственных колебаний для каждого сооружения должно определяться индивидуально, но для каменно-земляных плотин полученное число - 25 форм дает достаточно точное решение.

3. Сейсмическое воздействие вызывает рост порового давления в ядре и верховой упорной призме плотины. Часто предполагают, что в силу кратковременности сейсмического воздействия и высокой проницаемости призмы рост порового давления незначителен, его рассеивание протекает быстро, и учет порового давления необязателен. Между тем, выполненные расчеты по изменению порового давления в ядре плотины при 9-балльном землетрясении дали его увеличение по сравнению со статическим значением на 40%, а время его полу-рассеивания (уменьшение на 50%) составляет почти 100 суток. Далее процесс рассеивания протекает значительно медленнее.

4. Поровое давление, возникающее в верховой упорной призме с Кф*= 1*1 О*2 см/с и принятой анизотропией грунта, которая соответствует действительности (коэффициент фильтрации в вертикальном направлении в 5-10 раз ниже, чем в горизонтальном), существенно, и его рассеивание на 50% от максимальной величины происходит за первые 3 дня после землетрясения, а близкое к полному рассеиванию длится около 10 дней. Следует отметить, что рассматриваемый материал верховой призмы соответствует гравийно-галечниковому грунту. Следовательно, в призме должна быть пригрузка из материала, выполняющего роль дренажа, например из горной массы с КфХ= 1*10"' см/с, которая к тому же повышает устойчивость призмы за счет более высокого угла внутреннего трения. Возможно также устройство внутреннего дренажа в теле верховой призмы. В роли дренажа можно также рассматривать второй или третий слой переходной зоны с напорной стороны ядра, который будет соединяться с внутренним дренажем призмы и через него - с пригрузкой верхового откоса.

5. Для высоких грунтовых плотин и плотин, расположенных в широких створах, учет эффекта «бегущей волны» является необходимым условием. Большая протяженность сооружений вдоль русла и вдоль створа обуславливают существенное различие в ускорениях узлов основания при пробегании по нему сейсмической волны. Следовательно, в один и тот же момент времени в узлах основания могут появляться ускорения не только различные, но и разного знака. Этот эффект, названный эффектом «бегущей волны» усложняет расчетную модель, но дает ощутимые «положительные» результаты. В сравнении с моделью колебания сооружения на виброплатформе, учет «бегущей волны» рассредоточивает максимальные ускорения в узлах на разные моменты времени, что уменьшает вероятность вхождения больших масс плотины одновременно в резонанс. Расчеты показали, что резонансные явления возникают не во всей конструкции, а в отдельных сравнительно небольших локальных областях плотины.

6. При решении пространственной задачи необходим учет угла подхода плоской сейсмической волны к сооружению. Иногда этот угол удается установить по определенным возможным очагам землетрясений в окрестностях створа. В противном случае требуется выбрать такой угол подхода сейсмической волны, который вызовет наихудший для сооружения отклик. Основными критериями оценки надежности и безопасности конструкции являются величины остаточных, смещений в плотине после прохождения сейсмической волны, что соответствует условию второго предельного состояния.

7. Решение задачи о НДС плотины Япи на статические и сейсмические воздействия при возможном землетрясении 9 баллов показало, что проект выполнен хорошо, осадки и смещения в плотине после землетрясения измеряются сантиметрами, что вполне допустимо, а разработанный метод расчета дал большую и ценную дополнительную информацию о работе грунтовых плотин при землетрясениях.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора:

1. Бестужева A.C., Нгуен Фыонг Лам. Динамический и спектральный методы определения сейсмической нагрузки, действующей на сооружение при землетрясении. // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ» №1/2010.-С. 155-168.

2. Рассказов Л. Н., Бестужева A.C., Нгуен Фыонг Лам. Учет «бегущей волны» в пространственных задачах сейсмоустойчивости грунтовых плотин. // Ежемесячный научно-технический журнал «Гидротехническое строительство» № 11/2010 - С. 47-53.

3. Рассказов Л. Н., Бестужева A.C., Нгуен Фыонг Лам. Поровое давление в грунтовых плотинах при сейсмических воздействиях. // Ежемесячный научно-технический журнал «Гидротехническое строительство» №> 11/2010-С. 54-59.

Диссертационная работа посвящена исследованию сейсмостойкости каменно-земляных плотин в пространственной постановке.

Диссертационная работа была выполнена в период 2006-201 Ог.г. на кафедре Гидротехнических сооружений Московского государственного строительного университета под научным руководством Заслуженного деятеля науки РФ, профессора, доктора технических наук Рассказова Леонида Николаевича.

Автор выражает сердечную благодарность и глубокую признательность своему научному руководителю Л. Н. Рассказову за постоянное внимание и огромную помощь в работе.

Автор выражает искреннюю благодарность доценту, кандидату технических наук Бестужевой A.C. за ценные советы и помощь, а также всему коллективу кафедры Гидротехнических сооружений МГСУ за оказанную большую поддержку в работе над диссертацией.

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ТЕОРИИ СЕЙСМОСТОЙКОСТИ СООРУЖЕНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ КАМЕННО-ЗЕМЛЯНЫХ ПЛОТИН НА СЕЙСМИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ

1.Г. Сейсмические воздействия на плотины

1.2. Основные положения грунтовых сооружений на 3 сейсмические воздействия

1.2.1. Критерии сейсмостойкости

1.2.2. Конструкции плотин, сооружаемых в 9 сейсмических районах

1.3. Динамический расчет системы сооружение 17 основание при использовании спектрального разложения по формам колебаний

1.3.1. Определение сейсмической- нагрузки на 19 основе динамического метода.

1.3.2. Определение сейсмических сил на основе 21 спектрального метода

1.4. Методики- расчета НДС гидросооружений при 28 сейсмических воздействиях.

1.5. Выводы

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА И АЛГОРИТМЫ РАСЧЕТОВ ПЛОТИН ИЗ ГРУНТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ ПРИ ДЕЙСТВИИ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК И СЕЙСМИЧЕСКИХ НАГРУЗКАХ

2.1. Задачи оценки сейсмических воздействий

2.2. Модель грунта

2.3. Теоретические основы* МКЭ и метода локаль- 51 ных вариаций МЛВ"

2.3.1. Основы метода конечных элементов

2.3.2. Метод локальных вариаций

2.3.3. Определение функций формы элемента

2.3.4. Формирование матриц жесткости и масс

2.3.5. Определение собственных векторов и собст- 59 венных значений

2.3.6. Решение основного динамического урав- 61 нения

2.3.7. Расчетная сейсмическая нагрузка

2.3.8. Определение напряженно-деформирован- 64 ного состояния конструкции во время землетрясения 2.4. Напряженно-деформированное состояние грунтовых плотин при учете скорости -распространения сейсмической волны в основании плотины

2.5. Расчет, порового давления при землетрясении.

2.6. Определение остаточных перемещений в 68 плотине и изменение ее напряженно-деформированного и прочностного состояния после прохождения сейсмической волны

2.7. Выводы

ГЛАВА 3. СТРУКТУРА И ФРАГМЕНТЫ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ "SEISMIC-DAMPZ3D" НА ЯЗЫКЕ DELPHI. РЕШЕНИЕ СТАТИЧЕСКИХ И ДИНАМИЧЕСКОЙ ЗАДАЧИ

3.1. Алгоритм программ, структура и блок-схема 71 программы "SEISMIC-DAMPZ3D"

3.1.1. Назначение и состав комплекса программ 72 "SEISMIC"

3.1.2. Назначение и состав комплекса программ 74 DAMPZ3D "

3.1.3. Блок-схема программы SEISMIC-DAMPZ3D

3.2. Решение тестовых статических и динамической задачи

3.2.1. Задача определения величин сейсмических 79 нагрузок

3.2.2. Задача периоды собственных колебаний 90 плотин в плоской и пространственной постановках

3.2.3. Учет «Бегущей волны» в пространственных 95 задачах сейсмоустойчивости грунтовых плотин. Влияние скорости распространения сейсмической волны на плотине

3.2.4. Учет «Бегущей волны» - влияние формы 100 створа

3.2.5. Учет «Бегущей волны» - влияние направ- 103 ления подхода сейсмической волны к створу.

3.2.6. Поровое давление в грунтовых плотинах при 104 сейсмических воздействиях

3.2.7. НДС каменно-земляной плотин (Н=100м) 114 при сейсмических воздействиях

3.3. Выводы

ГЛАВА 4. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОГО И ПРОЧНОСТНОГО

СОСТОЯНИЯ КАМЕННО-ЗЕМЛЯНОЙ ПЛОТИН

ЯЛИ (СРВ) ПРИ ДЕЙСТВИИ СЕЙСМИЧЕСКИХ НАГРУЗОК

4.1. Постановка, задачи, расчётная схема плотины

4.1.1. Описание конструкции каменно-земляной 141 плотины Яли

4.1.2. Расчётная схема плотины Яли и исходные 142 данные

4.1.3. Назначение динамических характеристик 144 грунтов тела плотины

4.1.4. Назначение расчетного сейсмического 144 воздействия^

4.2. Формы собственных колебаний плотины Ял и

4.3. Поровое давление в плотине Яли.

4.3.1. Исходные данные расчёты порового 154 давления

4.3.2. Поровое давление в ядре плотины Яли на 157 момент окончания строительства

4.3.3. Поровое давление в грунтовых плотинах при 158 сейсмических воздействиях

4.4. НДС каменно-земляной плотины Яли

4.4.1. НДС плотины Яли на момент окончания 162 строительства

4.4.2. НДС плотины Яли при сейсмических 167 воздействиях

4.4.3. Остаточные перемещения

4.4.4. Прочностные коэффициенты при 173 сейсмических воздействиях

4.5. Выводы

Грунтовые плотины в настоящее время являются основным типом подпорных сооружений, проектируемых и возводимых в районах высокой сейсмической активности. Поэтому задача обеспечения их сейсмостойкости является особенно актуальной, и для ее успешного решения необходимо использовать все имеющиеся в распоряжении инженеров средства.

Динамический метод предусматривает оценку напряженно-деформированного состояния (НДС) и устойчивости плотин как функции времени действия акселерограммы (графика ускорений во времени) землетрясения. Этот метод требует знания расчетной акселерограммы и сейсмограммы (график смещений основания во времени). Статический или квазидинамический метод расчета не рассматривает процесс во времени. Он основан. только на едином расчетном значении ускорения основания сооружения.

Решение задачи о напряженно-деформированном состоянии (НДС) от действия сейсмических сил методом конечных элементов возможно как по явной, так и по неявной'схеме.

Во Вьетнаме, существуют многие каменно-земляных плотин из местных материалов, которые находятся под сильным влияниям землетрясения (Хоа Бинь, Яли, Буон Ту а Срах.). Как проевило, анализ состояния работы этих плотин ограничиваются только статическим методом или для Хоабиня, Яли динамическим методом, но только в плоской постановке. Исследование НДС каменно-земляных плотин в пространственной постановке с учетом сейсмических сил является актуальным с точки зрения науки и практики во Вьетнаме.

Цедь исследования:

На основании исследований воздействия землетрясения решить задачу нахождении сейсмических нагрузок в пространственной постанове и решения задачи анализа НДС каменно-земляных плотин в пространственной постановке с учётом сейсмических нагрузок.

Направление исследования:

1. На основании обзора, выбрать найболее приемлемой метод для решения задач нахождений сейсмических нагрузок в трёхмерной постановке.

2. Составление программы решения задачи нахождения сейсмических нагрузок в трёхмерной постановке.

3. Учет влияния сейсмических нагрузок в пространственной постанове на НДС каменно-земляных плотин.

На основании составленной программой автором, произвести анализ НДС плотин из местных материалов в пространственной постановке.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. При решении задачи сейсмостойкого строительства возникает достаточно много проблем, и прежде всего - с заданием исходной информации для расчетов: выбор расчетной акселерограммы, выбор угла подхода сейсмической волны к сооружению, выбор динамических характеристик материалов тела плотины и т.д. Для решения этих проблем, вводятся допущения. Тип допущений существенно влияет на работу плотины. Задачей данной диссертации являлось максимальное снижение числа вводимых в расчеты допущений и выявление их роли в оценке работы плотины.

2. Учет пространственное™ в работе плотины выявил увеличение плотности распределения периодов собственных колебаний плотины, что повлекло за собой требование к увеличению числа учитываемых в расчетах форм колебаний. В данной работе число учитываемых форм было доведено до 25. Основной тон колебаний в пространственной задаче чуть ниже основного тона колебаний в плоской задаче. Расчеты показали, что необходимое число учитываемых в расчетах форм собственных колебаний для каждого сооружения должно определяться индивидуально, но для каменно-земляных плотин полученное число - 25 форм дает достаточно точное решение.

3. Сейсмическое воздействие вызывает рост порового давления в ядре и верховой упорной призме плотины. Часто предполагают, что в силу кратковременности сейсмического воздействия и высокой проницаемости призмы рост порового давления незначителен, его рассеивание протекает быстро, и учет порового давления необязателен. Между тем, выполненные расчеты по изменению порового давления в ядре плотины при 9-балльном землетрясении дали его увеличение по сравнению со статическим значением на 40%, а время его полурассеивания (уменьшение на 50%) составляет почти 100 суток. Далее процесс рассеивания протекает значительно медленнее.

4. Поровое давление, возникающее в верховой упорной призме с Кфх= 1*102 см/с и принятой анизотропией грунта, которая соответствует действительности (коэффициент фильтрации в вертикальном направлении в 5-10 раз ниже, чем в горизонтальном), существенно, и его рассеивание на 50% от максимальной величины происходит за первые 3 дня после землетрясения, а близкое к полному рассеиванию длится около 10 дней. Следует отметить, что рассматриваемый материал верховой призмы соответствует гравийно-галечниковому грунту. Следовательно, в призме должна быть пригрузка из материала, выполняющего роль дренажа, например из горной массы с Кфх= 1*10-1 см/с, которая к тому же повышает устойчивость призмы за счет более высокого угла внутреннего трения. Возможно также устройство внутреннего дренажа в теле верховой призмы. В роли дренажа можно также рассматривать второй или третий слой переходной зоны с напорной стороны ядра, который будет соединяться с внутренним дренажем призмы и через него - с пригрузкой верхового откоса.

5. Для высоких грунтовых плотин и плотин, расположенных в широких створах, учет эффекта «бегущей волны» является необходимым условием. Большая протяженность сооружений вдоль русла и вдоль створа обуславливают существенное различие в ускорениях узлов основания при пробегании по нему сейсмической волны. Следовательно, в один и тот же момент времени в узлах основания могут появляться ускорения не только различные, но и разного знака. Этот эффект, названный эффектом «бегущей волны» усложняет расчетную модель, но дает ощутимые «положительные» результаты. В сравнении с моделью колебания сооружения на виброплатформе, учет «бегущей волны» рассредоточивает максимальные ускорения в узлах на разные моменты времени, что уменьшает вероятность вхождения больших масс плотины одно момента в резонанс. Расчеты показали, что резонансные явления возникают не во всей конструкции, а в отдельных сравнительно небольших локальных областях плотины.

6. При решении пространственной задачи необходим учет угла подхода плоской сейсмической волны к сооружению. Иногда этот угол удается установить по определенным возможным очагам землетрясений в окрестностях створа. В противном случае требуется выбрать такой угол подхода сейсмической волны, который вызовет наихудший для сооружения отклик.

7. Основными критериями оценки надежности и безопасности конструкции являются величины остаточных смещений в плотине после прохождения сейсмической волны, что соответствует условию второго предельного состояния.

8. Решение задачи о НДС плотины Яли на статические и сейсмические воздействия при возможном землетрясении 9 баллов показало, что проект выполнен хорошо, осадки и смещения в плотине после землетрясения измеряются сантиметрами, что вполне допустимо, а разработанный метод расчета дал большую и ценную дополнительную информацию о работе грунтовых плотин при землетрясениях.

1. Ambraseys N. The seismic stability of earth dams. 2-th Wold Conference Earthquake Engineering, 1960.

2. Anil K. Chopra. Dynamics of structures Theory and Applications to Earthquake Engineering. Third edition, By Pearson Education, 2007.

3. Chopra A.K., Dibaj M., Clough R., Penzien J., Seed H. Earthgwahe analysis of earth dams// 2-й Конгресс по сейсмостойкому строительству PROG, 4-WCEE, Chili, 1969

4. Dynamics of soil and soil structures. 6-th World Conference of Earthquake Engineering. Indian Society of Earthquake Technology, 1977.

5. Hota Y., Goto N. Empirical shear wave velocity equation in terms of soil indexes. Earthquake Eng. and str. Dynamics, 1978.

6. Housner G. V. Spectrum analyzer of strong motion earthquakes. Bulletin of Seismological Society of America, 1953.

7. Imaizumi H. A study of deformations in concrete faced rockfill dams, proceedings of symposium at the ASCE Convention in Detroit, Michigan, 1985.

8. Liam Fiam W.D. Seismic Design of civil engineering. Proceedings of the international symposium on seismic and environmental aspects of dams design: earth, concrete and tailings dams. Volume I, Santiago, 1996.

9. OUala C, Martin M. Seismic velocity tests. Proceedings of the international symposium on seismic and environmental aspects of dams design: earth, concrete and tailings dams. Volume I, Santiago, 1996.

10. Pedro S. Seismic analysis of concrete face rockfill dams. Proceedings of the' international symposium on seismic and environmental aspects of dams design: earth, concrete and tailings dams. Volume I, Santiago, 1996.

11. Popovichi A. Some comments concerting presents regulations on, earthquake analysis of dams. Proceedings of the international symposium on seismic and environmental aspects of dams design: earth, concrete and tailings dams. Volume I, Santiago, 1996.

12. Seed H., Martin J., Analysis of soil liquenfaction: Niigata earthquake. J. of the soil Mech. and Found., 1987.

13. I.M.Smith and D.V.Griffiths -Programming the finite element method -University of Manchester, U.K- 1997

14. Stevan D. Vidic . Seismic CPT profiling of mine tailing dams. Proceedings of the international symposium on seismic and environmental aspects of dams design: earth, concrete and tailings dams. Volume I, Santiago, 1996.

15. Vicent D., Portiila R. Static and dynamic behavior of soil dams. Proceedings of the international symposium on seismic and environmental aspects of dams design: earth, concrete and tailings dams. Volume I, Santiago, 1996.

16. ОС Zienkiewicz,.Computational geomechanics with special refencence toearthquake engrineering. JonhWiley and Sons Ltd. 1999

17. ОС Zienkiewicz , R.L Taylo. The Finite element method. Volume 1, 2, 3. Fifth edition, Butterword-Heineman, 2000.

18. Абарин A.M. Влияние динамического воздействия на грунтовую плотину. Плоская и пространственная задачи. Сборник работ молодых ученых факультета ГСС МГСУ ,№1, 1999.

19. Абарин A.M. Формы собственных колебаний грунтовой плотины. Плоская и пространственная задачи. Сборник работ молодых ученых факультета ГСС МГСУ, №1, 1999.

20. Бате К., Вил сон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов "Стройиздат" М.,1982.

21. Белгородская Г.Н. Расчет плотин из местных материалов на сейсмические воздействия с учетом упруго-пластических деформаций Сб. «Сейсмостойкость плотин, вып. 1, «Дониш», Душанбе, 1969.

22. Белгородская Г.Н., Селизнев Г.С. Оценка сейсмостойкости грунтовых плотин по предельным деформациям. Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. ВНИИГ им. Б.Е. Веденеева, Л. 1988.

23. Белостоцкий A.M. Программный комплекс СТАДИО для линейных и нелинейных статических и динамических расчетов пространственных комбинированных систем. Опыт разработки и эксплуатации и перспективы развития. Сб. научных трудов МГСУ, М., 1998.

24. Беляков A.A. Пространственная работа грунтовой плотины в широком створе. «Гидротехническое строительство» №12, 1988.

25. Беляков A.A. Расчеты пространственного напряженно-деформируемого состояния каменно-земляной Рогунской плотины. Научно-техническое совещание Гидропроекта. М., 1982.

26. Бестужева A.C. «Сейсмостойкость грунтовых плотин». Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук. М., 1994.

27. Бестужева A.C. «Сейсмостойкость грунтовых плотин», кандидат технических наук. М., 1994.

28. Волохова М.Н. Влияние величины коэффициента затухания сейсмических колебаний на результаты расчетов плотин из местных материалов. Труды ин-та ВОДГЕО, вып. 38, М., 1972.

29. Гольдин A.JL, Рассказов JI.H. Проектирование грунтовых плотин. Издательство АСВ, 2001.

30. Грановский М.Б. Определение расчетных характеристик крупнообломочных грунтов по результатам циклических испытаний. Сб. Научных трудов Гидропроекта, М, 1987, вып. 124.

31. Гу-Гань-Чень. Трехмерный нелинейный статический и динамический анализ каменно-набросных плотин с железобетонными экранами.- "Хохай университет", Нанкин, 1990.

32. Гун. С.Я. Исследование напряженного состояния каменно-земляной плотины Рогунской ГЭС как пространственной системы. 4-е научно-техническое совещание Гидропроекта. М, 1982.пу

33. Демидович Б. П., Марон Л., Шуваева Н.П. Численные методы анализа, М., «Стройиздат», 1981.

34. Дидух Б.И. Упругопластическое деформирование грунтов. М., издательство Университета дружбы народов, 1987.

35. Динамика сплошных сред в расчетах гидротехнических сооружений. Под ред. ЛяхтераВ.М., Яковлева Ю.С. "Энергия ", М.,1976.

36. Зарецкий Ю.К. Вязко-пластичность грунтов и расчеты сооружений. М., Стройиздат, 1988.

37. Зарецкий Ю.К. Лекции по современной механике грунтов. Изд. Ростовского университета, Ростов-на-Дону, 1989.

38. Зарецкий Ю.К., Ломбардо В.Н. Статика и динамика плотин из грунтовых материалов. "Энергоатомиздат", М.,1983.

39. Иоселевич В.А, Рассказов Л.Н, Сысоев Ю.М . Об особенностях развитая поверхностей нагружение при пластическом упрочнении грунта " Механика твёдного тела'. 1979. №2 С155-161

40. Зедгинидзе И.Г. Планирование эксперимента для исследования многокомпонентных систем. М.: Наука, 1976. 390 с.

41. Зенкевич О. Метод конечных элементов. «Мир». М., 1975.

42. Исихаро К., Кувано Ли. Остаточные деформации каменно-земляной плотины в Японии. "Строительство плотин" №3,1985.

43. Клаф Р., Пензиен Дж. Динамика сооружений. М., «Стройиздат», 1979.

44. И.А. Константинов. Динамика гидротехнических сооружений. Часть 1. Основы динамики сооружений. ЛПИ имени М.И. Калинина, 1976.

45. И. А. Константинов. Динамика гидротехнических сооружений. Часть 2. Расчет плотин на сейсмические воздействия. ЛПИ имени М.И. Калинина, 1976.

46. Корчинский И.Л. Сейсмостойкое строительство зданий. Учеб.пособие. М.Высшая школа, 1971.

47. Красников Н.Д. Сейсмостойкость гидротехнических сооружений из грунтовых материалов. "Энергоатомиздат", М, 1983.

48. Кратофил И. Расчет плотин методом конечных элементов. Springer Verlagwien, New York, 1975.

49. Ломбардо В.Н. Задание сейсмической информации при расчётах сейсмичности массивных сооружений, работающих совместно с основанием. Известия ВНИИГ. Т.103. С. 164-170.

50. Ломбардо В.Н, Грошев М.Е., Олимпиев Д.Н. Вариант математической модели для оценок сейсмостойкости грунтовых плотин по результатам испытаний крупнообломочных грунтов. Сб. Научных трудов Гидропроекта, М., 1987.Я

51. Ломбарде» В.Н. Учет упругих и инерционных сил основания при определении сейсмических нагрузок для плотины Курпсанской ГЭС. «Гидротехническое строительство» №4, 1983.

52. Ломбардо В.Н., Олимпиев Д.Н. Расчет плотин из грунтовых материалов на сейсмические воздействия. Сб. Совершенствование методов расчета и проектирования гидротехнических сооружений, возводимых в сейсмических районах. "Энергия ", Л., 1976.

53. Лятхер В.М., Иващенко И.Н., Янчер В.Б. Оценка напряженно-деформированного состояния и критерии надежности грунтовых плотин при землетрясениях. Материалы конференций и совещаний по гидротехнике. "Энергоатомиздат", Л.,1982.

54. Лятхер В.М., Иващенко И.Н., Сейсмостойкость грунтовых плотин. Москва "Наука", 1986.

55. Лятхер В. М. Надежность гидротехнических сооружений в сейсмоактивных районах. Сб. Материалы конференций и совещаний по гидротехнике «Методы исследований и расчетов' сейсмостойкости гидротехнических и энергетических сооружений» , Л., «Энергия», 1982.

56. Медведев СВ. Ускорения колебаний грунта при сильных землетрясениях. Сб. Вопросы инженерной сейсмологии, труды ИФЗ АНСССР, М., 1960.

57. Напетваридзе Ш.Г. Сейсмостойкость гидротехнических сооружений. Тосстройиздат", М., 1959.

58. Ньюмарк, Розенблюэт. Основы сейсмостойкого строительства. «Стройиздат», М., 1980.

59. Окамото Ш. Сейсмостойкость инженерных сооружений. "Стройиздат" М., 1980.

60. Отчет «Исследование напряженно-деформированного состояния гидроузла Тери (Индия)», Москва, МГСУ, 1991.

61. Отчет по теме «Экспериментальное определение расчетных деформативно-прочностных характеристик крупнообломочных и глинистых материалов плотин гидроузла Тери при статических и динамических воздействиях». ВИС и-та «Гидропроект» М., 1990.

62. Оценка сейсмостойкости земляных плотин методами волновой динамики. Сб. «Совершенствование методов расчета и проектирования гидротехнических сооружений, возводимых в сейсмических районах». «Энергия», 1976.

63. Пронина Г.Е. Математические методы анализа и оптимального проектирования сложных технических систем / ВИА. М., 1983. 104с.

64. Поляков С.В. Сейсмостойкие конструкции зданий. Учеб.пособие. М.Высшая школа, 1969.

65. Работнов Ю.Н. Ползучесть элементов конструкций. «Наука», М., 1966.

66. Рассказов Л.Н. «Напряженно-деформированное состояние и устойчивость каменно-земляных плотин». Автореферат на соискание ученой степени доктора технических наук, М., 1977.

67. Рассказов Л.Н. Джха Д. Деформируемость и прочность грунтов при расчете высоких грунтовых плотин. «Гидротехническое строительство» . №7, 1977.

68. Рассказов Л.Н. Схема возведения и напряженно-деформированное состояние плотины с центральным ядром. «Энергетическое строительство» №2, 1977.

69. Рассказов Л.Н., Бестужева А. С. К вопросу сейсмостойкости грунтовых плотин. «Строительная механика и расчет сооружений», Стройиздат, М.,

70. Рассказов JI.H., Бестужева А.С, Абарин A.M. Безопасность грунтовой плотины при сейсмических воздействиях в пространственной постановке. Сб. «Безопасность энергетических сооружений», №4, 1999.

71. Рассказов JI.H., Бестужева A.C., Абарин A.M. Стена в грунте. Напряженно-деформированное состояние при сейсмических воздействиях. Плоская и пространственная задачи. «Гидротехническое строительство» №6, 1999.

72. Рассказов Л.Н., Бестужева A.C., Саинов М.П. Анализ напряженно-деформированного состояния «стены в грунте» основания плотины и ее надежности. Сб. «Безопасность энергетических сооружений», №4,1999.

73. Рассказов Л.Н., Бестужева A.C., Саинов М.П. Бетонная диафрагма как элемент реконструкции грунтовой плотины. «Гидротехническое строительство» №4,1999.

74. Рассказов Л.Н., Витенберг М.В. Напряженно-деформированное состояние плотин и их устойчивость. Труды ВОДГЕО, вьш 34,1972.

75. Рассказов Л.Н., Волохова М.Н. Напряженно-деформированное состояние плотин из местных материалов с учетом сейсмических воздействий. Труды ин-та «ВОДГЕО» вып.44,1974.

76. Л.Н. Рассказов, Нгуен Куанг Кыонг. Собственные формы и собственные значения арочных плотин // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ» №2/2006. — С. 28-42.

77. Л.Н. Рассказов, Нгуен Куанг Кыонг. Влияние направления сейсмического воздействия на напряжения в арочных плотинах // Ежемесячный научно-технический журнал «Гидротехническое строительство» № 9/2006-С. 32-36.

78. Л.Н. Рассказов, Нгуен Нгок Тханг. Учет влияния скального основания на формы и периоды собственных колебаний массивно-контрфорсных и гравитационных плотин // Научно-технический журнал «Вестник МГСУ» №1/2008. С. 198-203.

79. Рассказов Л.Н., Орлова O.A., Орлов К.И. Исследование динамических свойств грунтов в условиях сложного напряженного состояния. Доклад на Дунайско.-ЕвропеПской конференции по механике грунтов и фундаментостроению. Кишинев, 1983.

80. Рассказов Л.Н. Гидротехнические сооружения. Учебник для вузов под редакцией Л.Н.Рассказова, АСВ, 2008.

81. Расчет остаточных деформаций грунтовых плотин в Канаде при сейсмическом воздействии Water Power and Dam Construction. №4,1991.

82. Рахмадулнн X.A. Сагомонян А.Я., Алексеев H.A. Вопросы динамики грунтов. Издательство МГУ, 1969.

83. СНиП II-7-81*. Строительство в сейсмических районах. Гидротехнические сооружения общие положения. Л. 1986 и 2000.

84. Синицип А.П. MIO в динамике сооружений. М., «Стройиздат», 1978.

85. СНиП 2.06.05-84*. Плотины из грунтовых материалов, 1990

86. Телешев В.И., Емельяненко Б.М., Лапин Г.Г. Массивно-контрфорсная плотина Зейской ГЭС. Издательство Политехнического университета. СПб., 2005.

87. Троицкий А.П. Шульман С.Г. К расчету грунтовых плотин по линейно-спектральной методике. "Гидротехническое строительство" №1, 1982.

88. Шейнин И.С. Колебания конструкций гидротехнических сооружений. «Энергия», Л., 1967.

89. Шульман С. Г. Основные проблемы сейсмостойкости бетонных плотин. Сб. Материалы конференций и совещаний по гидротехнике «Методы исследований и расчетов сейсмостойкости гидротехнических и энергетических сооружений» , Л., «Энергия», 1982.

90. Шульман С.Г. Расчеты сейсмостойкости сооружений с учетом влияния водной среды. «Энергия», М., 1976.

91. Мельник В.Г. Исследование возможности возникновения порового давления в крупнообломочных грунтах при динамических воздействиях. Труды лаборатории ГС ВОДГЕО №5, 1969, М., Изд-во литературы по строительству, cl33-145.