автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Пространственное напряжённо-деформированное состояние грунтовых плотин с тонким противофильтрационным элементом

Введение.стр.

Глава I. Тонкостенный элемент в грунтовом массиве.стр.

1.1 Методы создания "стены в грунте". .стр.

1.2 Типы "Стены в грунте" в гидротехническом строительстве.стр.

1.3 Методы расчёта напряжённого состояния конструкций тонкостенного элемента.стр.

1.4 Диафрагмы в грунтовых плотинах: особенности в технологии Возведения и в расчетах. Их материалы конструкции.стр.

1.5 Цели и задачи исследований.стр.

1.6 Выводы к первой главе.стр.

Глава П.Принцип расчета пространственного напряженно -деформированного состояния тонкостенных элементов в грунте.стр.

2.1. Использование метода конечных элементов в сочетании с методом локальных вариаций при решении пространственной задачи НДС тонкостенных элементов в грунте.стр.

2.2. Использованная модель грунта.стр.

2.3 Описание программы RAS.стр.

2.4. Решение тестовых задач.стр.

2.5. Выводы к второй главе.стр.

Глава Ш.Пространственное напряженно-деформированное состояние грунтовой плотины со «стеной в грунте».стр.

3.1 Цели и задачи исследований. Основные сведения о методике исследований.стр.

3.2 Конечно-элементная аппроксимация тела плотины при решении « глобальной задачи».стр.

3.3 Напряженно-деформированное состояние грунтовой плотины Курейской ГЭС.стр.

3.4 Напряженно-деформированное состояние «стены в грунте». .стр.

3.5 Выводы к третей главе.стр.

Глава ГУ. Напряженно-деформационное состояние грунтовой плотины с асфальтобетонной диафрагмой в пространственной постановке.стр.

4.1 Цели и задачи исследований. Основные сведения о методике исследований.стр.

4.2 Конструкция грунтовой плотины с асфальтобетонной диафрагмой Богучанской ГЭС .стр.

4.3 Конечно-элементная аппроксимация тела плотины и этапы расчета.стр.

4.4 Результаты решения глобальной задачи пространственного напряженно-деформированного состояния плотины Богучанской ГЭС.стр.

4.5 Напряженно-деформированное состояние диафрагмы.стр.

4.6 Выводы к главе IV.стр.

Во многих инженерных гидротехнических и других строительных сооружениях встречаются различные виды " стены в грунте" : фундаменты жилых и промышленных предприятий, подпорные стены в портовых и других ограждающих сооружениях, туннели межого заложения, шахты очистных и водозаборных станций, противофильтрационные завесы в плотинах и др. Все они имеют общую сущность- это сопряжение искусственных монолитных фрагментов с грунтом. Расчеты этих фрагментов всегда требуются выполняться ответственными методами. За последние время в грунтовых плотинах часто внедряются «стены в грунте» в виде диафрагмы из различных материалов или в качестве противофильтрационных завес. Эти конструкции требуют соответствующих расчетов. В это же время техника ЭВМ непрерывно развивается и её внедрение в расчетах дает большие возможности исследовать параметры устойчивости и прочности таких тонких сооружений и влияние на их работоспособность различных факторов.

На кафедре Гидротехнических Сооружений МГСУ под руководством профессора Л.Н. Рассказова проводятся исследования деформируемости и прочности этих конструкций. Для этого часто необходимо решать задачи неустановившейся фильтрации, распределения температуры и т.д. Самыми заметными за последнее время в этой области являются работы М.П.Саинова, который исследовал НДС «стены в грунте» численным методом в плоской обстановке.

Конечно, часто из-за сложного геологического залегания или непростого конструирования сооружений, приходиться исследовать НДС «стены в грунте» в пространственной обстановке. Именно для решения этой задачи выполнена данная диссертационная работа. Реализуя энергетический модель грунта профессора Рассказова Л.Н, метод конечных элементов в сочетании с методом локальных вариаций и используя элемент кубическую 5 аппроксимацию перемещений от координат (32-узловой элемент ), метод фрагмента и разные приемы пространственности в комплексе, вычислительная программа RAS позволяет исследовать НДС «стены в грунте» различных типов не только в грунтовых плотинах но и других инженерных строительных сооружениях. В этой работе содержится 4 главы.

В первой главе излагаются разные типы «стены в грунте», их способы возведения, традиционные методы их расчета по прочности и устойчивости, и новые методы исследовать НДС «стены в грунте».

В второй главе излагается метод расчета «стены в грунте» как пространственной конструкции, его теория и программы и также тестовые задачи.

В третьей главе описаны процесс и результаты исследования НДС грунтовой плотины и её стены в ядре Курейской ГЭС как один пример решения задачи «стены в грунте» в пространственной обстановке со сложными геологическими условиями в основании.

В четвертой главе описаны методы, шаги и результаты анализа исследования пространственного напряженно-деформированного состояния грунтовой плотины и участка диафрагмы из асфальтобетона у примыкания к бетонной плотине Богучанской ГЭС. В конце работы приведены выводы по проделанной работе. Данная диссертационная работа была выполнена под научным руководством профессора, доктора технических наук Леонида Николаевича Рассказова. Автор выражает глубокую благодарность своему руководителю за серьезное постоянное внимание и значительную помощь в работе. Автор выражает также свою благодарность кандидату технических наук М.П. Саинову за постоянные консультации, кандидатам технических наук В.В.Толстикову, П.В.Солдатову и другим сотрудникам кафедры Гидротехнических Сооружений за большую помощь в работе над диссертацией. б

Общие выводы

1. Выбранный 32- узловой элемент для решения НДС грунтовых плотин с тонкими противофильтрационными элементами в виде « стены в грунте» или диафрагмы, экрана и.т.д. себя оправдал, т.к. позволил резко повысить точность решения, что особенно важно при определении НДС в тонких негрунтовых противофильтрационных элементах.

2. Решение задачи НДС тонких противофильтрационных элементов, расположенных в теле грунтовых плотин, методом МКЭ с использованием фрагментов позволило получить картину перемещений, напряжений, коэффициентов надежности. При решении этих задач граничные условия в перемещениях и нагрузки на каждом этапе возведения фрагмента не должны превышать 5% от полных значений на этапе. Таким образом, этап возведения требует последовательного решения не менее 20 задач. Такой подход требует большого количества времени счета задачи на быстродействующих ЭВМ.

3. Необходимость решения задачи НДС плотины с тонкостенным противофильтрационным устройством в два этапа: 1)глобальная пространственная задача с противофильтрационным устройством в виде линии и 2)задача фрагмента, где основу занимает это противофильтрационное устройство, вызвано необходимостью повышения точности при определении НДС "стены." или диафрагмы (и.т.д.). "Глобальная задача" должна решаться в пространственной постановке для получения необходимых граничных условий (главным образом е2), т.к. в условиях плоской деформации е2=0., т.к. и2=0.

4. Создание «стены в грунте» в ядре плотины (плотина Курейской ГЭС) как ремонтного мероприятия себя вполне оправдывает. Но необходимо постоянно иметь в виду, что работа « стены.» в пространственных

252 условиях достаточно сложная: в ней имеют место растягивающие нормальные напряжения, которые могут вызывать раскрытие швов между элементами «стены.», появление трещин в ней и т.д. Для выявления этих возможных дефектов необходимо размещать КИА и предусматривать возможные инъекционные работы для устранения этих дефектов, если они будут иметь место.

5. Обращает на себя внимание тот факт, что при решении НДС «стены в грунте» в пространственной постановке касательные напряжения малы и следовательно, нормальные напряжения близки к главным.

6. Асфальтобетонная диафрагма - очень распространенный противофильтрационный элемент в плотинах самого различного назначения и высоты. Использование его в Северных условиях требует знания деформативно - прочностных свойств материала при различных температурах и в различных точках плотины. Температуры в них могут значительно меняться, особенно при подъеме воды в ВБ. Следовательно изменяются и деформативно — прочностных свойства, что требуется учитывать поэтапном возведении плотины по времени.

7. Самого пристального внимания требует примыкание диафрагмы к бетонным сооружениям и к бортам. В примыканиях имеют место растягивающие нормальные напряжения сг2, сгх и даже в отдельных точках сту, что может привести к раскрытию контакного шва и появлению трещин. В этих зонах требуется более тщательный подбор фильтров и устройство гибкой шпоры (возможно шпунтовой).

253

1. Абу Махади Мохаммед Ибрагим. Взаимодействие ограждающих стенок с грунтовым массивом // Автореферат диссертации. канд.техн.наук, М., 1999. 17с.

2. Аллас Э.Э. и Мещеряков А.Н. Укрепление оснований гидротехнических сооружений/ под ред. В.С.Эристова, Изд.2-е, M.-JL, Энергия, 1966

3. Беллендир E.H. Взаимодействие подпорных стен с основанием и обратной засыпкой с учётом упругопластических свойств грунтов// Автореферат диссертации. канд.техн.наук, Л., 1992. 25с.

4. Беллендир E.H., Готлиф A.A., Шварц М.М. Численное исследование напряжённо-деформированного состояния грунтового массива при перемещении подпорной стенки// Известия ВНИИГ им.Б.Е.Веденеева : Сб. научных трнудов. 1989. т.216.-с.33-38.

5. Гидротехнические сооружения : Справочник проектировщика / Г.В. Железняков, Ю.А. Ибад-заде, П.Л. Иванов и др.; Под общ. ред. В.П. Недриги. -М.: Стройиздат, 1983.- 543с.

6. Горбунов-Посадов М.И. и др. Применение современных фундаментов и расчёты оснований в различных грунтовых условиях : Учеб. пособие : Рига, 1979-100с.

7. Горбунов-Посадов М.И. и др. Расчёт конструкций на упругом основании / М.И. Горбунов-Посадов, Т.А. Маликова, В.И. Соломин 3-еизд. -М.: Стройиздат, 1984-679с.

8. Декларация безопасности Курейской ГЭС. 2000.

9. Дидух Б.И., Абу Махади М.И. Определение параметров простой нелинейной модели грунта из опытов на раздавливание// Актуальные проблемы теории и практики инженерных исследований: Сборник научных трудов.-М.: Изд-во "Машиностроение", 1999-C.235-237

10. Долежалова М. Чрезвычайные деформации плотины Йирков и их математическое моделирование: VII Дунайско-Епропейская конференция по механике грунтов и фундаментостроению.Т. 1 .Кишинев. 1983.С.231-238.

11. Ермошкин П.М. Устройство буронабивных свай. М.: Стройиздат, 1982.-158 с.

12. Ефимов Ю.Н., Сапожников Л.Б. Программный комплекс расчёта сооружений и оснований методом конечных элементов для ЕС ЭВМ-Л., 1987

13. Зарецкий Ю.К., Воробьёв В.Н., Тоймбетов Е.Д. Расчётный прогноз давления грунта на подпорные стены.// Тезисы докладов 2-научно-практической и научно-методической конференции молодых учёных. М., 1993,-с.76-78.

14. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике., М.: Мир, 1975 541 с.

15. Инструкция по технологии и механизации строительства противофильтрационных диафрагм и монолитных несущих стен методом "стена в грунте". РСН 316-79/ Госстрой УССР.-Киев, 1980.101 с.

16. Иоселевич В.А. О законах деформируемости нескальных грунтов. Основания, фундаменты и механика грунтов, N 4, 1967, с.3-7.

17. Качалов Л.М. Основы теории пластичности. «Наука», М., 1969, с.420.

18. Крыжановский А. Л. Расчёт оснований сооружений в нелинейной постановке с использованием ЭВМ : Учеб.пособие/ Под ред. H.A. Цытовича М., 1982 -73с.

19. Любин В.А. Определение давления грунта на подпорные сооружения с использованием вариационных принципов// Автореферат диссертаций.255канд. техн. наук, М., 1988 15с.

20. Любин В.А. Давление грунта на подпорную стену в зависимости от её перемещений, шероховатости и жёсткости основания // Монтажные и специальные строительные работы. Серия "Специальные строительные работы": Экспресс-информация.-1986.-Вып. 12.-С.24-28

21. Любин В.А. Влияние шероховатости уголковой подпорной стены на величину давления грунта. Известия вузов. Строительство и архитектура.-1987. №6.-с. 121-123.

22. Малышев Л.И. Эффективность противофильтрационных и укрепительных мероприятий в основании гидротехнических сооружений // Автореферат диссертации.докт.техн.наук, М., 1994.

23. Малышев Л.И., Рассказов Л.Н., Солдатов П.В. Состояние плотины Курейской ГЭС и технические решения по её ремонту//Гидротехническое Строительство. 1999. № 1.

24. Малышев Л.И., Шишов И.Н., Кудрин К.П., Бардюков В.Г. Технические решения и результаты первоочередных работ по сооружению противофильтрационной стены в грунте в ядре и основании плотины Курейской ГЭС // Гидротехническое Строительство. 2001. № 3.

25. Методические рекомендации по проектированию и расчёту подпорных стен из буронабивных свай /ВНИИ гидромеханизации, сан.-техн. и спец. строительных работ, ВНИИГС Киев, 1984.- 69с.

26. Методические рекомендации по расчёту подпорных сооружений из буронабивных свай /НИИ строительн. конструкций Госстроя СССР.-Киев, 1985.- 37с.

27. Методические рекомендации по определению коэффициента жёсткости256оснований зданий и сооружений Киев,1977- 33с. (НИИ стр.констр. Госстроя СССР)

28. Мещеряков А.Н., Хейфец В.Б. Противофильтрационные и несущие стены в грунте. М., Энергия, 1969.

29. Мильковицкий С.И., Шейнблюм В.М. "Стена в грунте" надёжный и эффективный способ защиты окружающей среды. - в сб. Строительство подземных сооружений методом "стена в грунте'7сост. Лазарявичюс Г.Вильнюс., 1978.- 43с.

30. Миронов B.C. Применение ЭВМ для расчёта оснований и фундаментов : Учеб.пособие.-Новосибирск, 1977-98с.

31. Мурзенко Ю.Н. Расчёт оснований зданий и сооружений в упругопластической стадии работы с применением ЭВМ.-Л., Стройиздат, Ленинград, отд., 1989 135с.

32. Огранович А.Б., Горбунов-Посадов М.И. Расчёт фундаментной стенки на горизонтальную нагрузку с учётом разрыва сплошности основания. -Основания, фундаменты и механика грунтов, 1966, №3.

33. Огранович А.Б. Расчёт гибкой фундаментной стенки на горизонтальную нагрузку с учётом разрыва сплошности основания.- Основания, фундаменты и механика грунтов, 1966, №3.

34. Основания, фундаменты и подземные сооружения : Справочник проектировщика/ под общ. ред. Е.А.Сорочана, Ю.Г.Тофименкова. М.: Стройиздат, 1985.-479с.

35. Пилягин A.B., Казанцев C.B. Проектирование фундаментов зданий и сооружений с использованием ЭВМ : Учебное пособие. -Йошкар-Ола, 1988-111с.

36. Рассказов Л.Н. Условие прочности грунтов. Труды ин-та ВОДГЕО, вып.44,1974, с.53-59.

37. Рассказов Л.Н., Бестужева A.C., Саинов М.П. Бетонная диафрагма как элемент реконструкции грунтовой плотины//Гидротехническое строительство. 1999.№4257

38. Рассказов Л.Н., Витенберг М.В. Напряженно-деформированное состояние плотин из местных материалов и их устойчивость. Труды института ВОДГЕО. 1972.вып.34.с. 18-32.

39. Рассказов Л.Н., Солдатов П.В., Хуньба Ки Тхуат Пространственное напряжённо-деформированное состояние грунтовой плотины с учётом ползучести грунта тела плотины в сб. Современные проблемы гидротехники, МИСИ - М., 1991

40. Рекомендации по проектированию и устройству асфальтобетонных противофильтрационных элементов в грунтовых гидротехнических сооружениях. ВНИИГ. Л. 1986.

41. Рекомендации по расчёту противофильтрационных стенок и подбору материалов для их заполнения М., ВНИИИС Госстроя СССР, 1978.-51с.

42. Рекомендации по расчёту прочности тонких железобетонныхподпорных стен / Разраб. А.В.Фриш, А.Я. Эпп Свердловск, 1979-92 с.

43. Саинов М.П. Напряженно-деформированное состояние противофильтрационных «стены в грунте» грунтовых плотин. Автореферат диссертации на соискание ученной степени к.т.н., москва 2001.

44. Смородинов М.И., Корольков В.Н. Струйная технология устройства противофильтрационных завес и несущих конструкций в грунте.-М.: ВННИС Госстроя СССР, 1984 42 с.

45. Солдатов П.В. Напряжённо-деформированное состояние и устойчивость каменно-земляных плотин с учётом фактора времени//Автореферат диссертации.канд.техн.наук, М., 1986.

46. Тоймбетов Е.Д. Давление грунта на ограждающие стены котлованов // Автореферат диссертации.канд.техн.наук, М., 1994.

47. Тоймбетов Е.Д. Учёт влияния контактного трения в системе "стена258грунт" в расчётных исследованиях давления грунта на подпорные стены.// Тезисы докладов 1-научно-практической и научно-методической конференции молодых учёных. М.,-1992,-с.52.-53.

48. Траншейные стенки в гидротехническом строительстве / сост. П.Ф. Собколов М., 1981-51с.-№2.

49. Траншейные стенки в грунтах. Круглицкий H.H., Мильковский С.И., Шейнблюм В.М., Киев, "Наукова Думка", 1973.-280 с.

50. Ухов С.Б. и др. Расчёт и проектирование оснований и фундаментов на ЭВМ: Учеб. Пособие.- Белгород, 1988 93с.

51. Фадеев А.Б., Прегер A.JI. Метод конечных элементов в геомеханике. -М.: Недра, 1987.

52. Фадеев А.Б., Прегер A.JI. Решение геотехнических задач методом конечных элементов: ч. 1. Томск, Изд-во Томского университета, 1994.

53. Фёдоров Б.С., Смородинов М.И. "Стена в грунте"- прогрессивный способ строительства, М.: Стройиздат, 1975.

54. Филатов А.Л., Сапрыкин Л.Д., Ткаченко Р.Н. Строительство заглубленных сооружений методом "стена в грунте". в сб. Строительство подземных сооружений методом "стена в грунте'Усост. Лазарявичюс Г.-Вильнюс.,1978.- 43с.

55. Черноусько Ф.Л. Метод локальных вариаций для численного решения вариационных задач. Журнал вычислительной математики и математической физики.т.5, №4, 1965, с. 749-754.

56. Черноусько Ф.Л. Боничук Н.В. Вариационные задачи механики и управления. М.: Наука, 1973.с.236.

57. Шеримбетов Х.С. Напряжённо-деформированное состояние асфальтобетонных диафрагм каменных плотин // Автореферат диссертации.канд.техн.наук, М., 1990

58. Экспериментальные исследования грунта на стенку, сооружённую методом "стена в грунте"- пер.с англ./ Root W., Veder Ch., Ground Enginering, 1984,v. 13, № 3., p.35-36.259

59. V.Kolar, J.Kratjcvil, F.Leitoer, A.Zenisek. Berechnung von Flachen- und Raumtragwerken nach der Methode der finiten Elemente.- Wien New York, Springer-Verlag,-1975.

60. Kulhawy F.H., Duncan J.M. stresses and movements in Orowille Dam. Jour/ Soil Mech. And Found Eng. Proc. ASCE. 1972. Vol.98, N7.P.653-665.t