автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Сейсмостойкость грунтовых плотин

На правах рукописи

Р Г 6 сд

. г . 1

АБАРИН Александр Миронович

СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ ГРУНТОВЫХ плотин (ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ПОСТАНОВКА)

Специальность 05.23.07 - «Гидротехническое и мелиоративное строительство»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1999 г.

Работа выполнена на кафедре гидротехнических сооружений Московского государственного строительного университета.

Научный руководитель - доктор технических иаук

профессор Л. Н. Рассказов

Официальные оппоненты - кандидат технических паук И. В. Семенов,

доктор технических наук, профессор 3. Г. Тер-Мартиросян

Ведущая организация - институт «Гидроспецпроект»

Защита диссертации состоится 2000 г. в А_час.

на заседании диссертационного совета в Московском государственном строительном университете по адресу: г. Москва, ул. Спартаковская, д.2/1, ауд. 212

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного строительного университета.

Автореферат разослан г-» 1999 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

доктор технических наук профессор В. С. Боровков

Н151-021., о

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время накоплен большой практический опыт строительства каменно-земляных плотин, в том числе и сверхвысоких. Эти плотины характеризуются высокой надежностью и устойчивостью как при статических условиях эксплуатации, так и при сейсмических воздействиях, что обусловливает их предпочтительное применение в районах с высокой сейсмической активностью. Вместе с тем вопрос учета пространстве! шости при расчете плопш на сейсмические воздействия остается практически открытым. Плотины часто строятся в узких створах (коэффициент створа то<3.0), и учет пространственности как при статическом, так и при динамическом (сейсмическом) воздействии может значительно влиять на работу конструкции: исследования статической работы плотин показывают, что эффект пространст-вешюсти существешш проявляется даже в широких створах (шо>3.0).

В последние годы в связи с появлением нового производственного оборудования для строительства стены в грунте, этот вид противофильтрационно-го устройства стал сравшггельно часто использоваться в гидротехническом строительстве. Вместе с тем анализа надежности этой конструкции при сейсмических воздействиях в литературе не встречалось. В диссертационной работе проводятся результаты расчета напряженно-деформируемого состояния (НДС) стены в грунте в пространственной постановке при сейсмических воздействиях различной интенсивности.

Цель и задачи работы. Целью настоящей работы является разработка методики и проведение расчета НДС грунтовых плотин при динамических воздействиях в пространственной постановке. Для этого были поставлены задачи: 1.определение форм собственных колебаний плотины в пространственной постановке;

2. создшше алгоритма расчета НДС грунтовых плотин в пространственной постановке при сейсмических воздействиях, задаваемых в виде акселерограммы или «гирлянды» акселерограмм;

3.выявление влияния составляющей акселерограммы, действующей вдоль оси створа плотины на состояние сооружения во время и после землетрясения;

4. разработка программного комплекса, позволяющего исследовать работу грунтовых плотин при динамических воздействиях. При этом НДС плотин от статических нагрузок является фоном, на котором развивается НДС, вызванное динамическими нагрузками;

5. определение критериев, по которым можно оценивать работоспособность плотины в при сейсмических воздействиях. Для этого были выбраны два показателя - величины остаточных динамических перемещений и. значения коэффициентов надежности в плотине.

Научная новизна работы заключается в:

- Решении задачи о формах собственных колебаний плотины в пространственной постановке;

- определении величин остаточных перемещений в плотине и оценки ее прочностного состояния во время и после землетрясения в пространственной постановке;

- определении влияния составляющей акселерограммы, действующей вдоль оси створа плотины на состояние сооружения во время и после землетрясения.

Практическое значение. Формы собственных колебаний, полученные для грунтовой плотины в пространственной постановке, могут быть использованы для различных расчетов, например, для оценки устойчивости откосов. Кроме того, исследования работы грунтовых плотин при динамических воз-

действиях в пространственной постановке дают возможность ренпггь некоторые вопросы надежности и долговечности гидротехнических сооружений:

- какие землетрясения и в каком количестве может выдержать проектируемая плотина без нарушений ее функций водоподпорного сооружения;

- каковы величины возможных деформаций в плотине за тот или иной период ее эксплуатации с учетом вероятности повторений сейсмических воздействий;

- какое влияние на работу плотины при динамических воздействиях оказывает пространственная составляющая акселерограммы, направленная вдоль оси створа.

На защиту выносятся следующие вопросы:

1. решение задачи о формах собственных колебаний плотины в пространственной постановке;

2. влияние учета составляющей акселерограммы, действующей вдоль оси створа плотины на состояние сооружения во время и после землетрясения.

3. разработка критериев, позволяющих оценить надежность плотин, работающих в районах с повышенной сейсмической активностью;

4. методика определения остаточных перемещений в плотине и изменения ее прочностного состояния после землетрясения;

Объем диссертации. Диссертация состоит из предисловия, четырех глав, общих выводов и списка литературы. Общий объем работы 228стр., в том числе 138 страниц текста, 8 ¡страница рисунков, 9 страниц списка литературы из 85 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В главе 1 обосновывается актуальность темы диссертационной работы и ее практическая значимость, а также рассматривается литература по исследуе-

мому вопросу. В 1933 году Н. Био была выдвинута идея спектрального метода определения сейсмических нагрузок. На основе записей акселерограмм реальных землетрясений им был предложен график определения максимальных ускорений в конструкции в зависимосга от периода ее собственных колебаний. Этот график был назван спектральной кривой. Основы спектрального метода были заложены в работах Хаузнера, Мартел, Ньюмарка, Окамото. Расчетный аппарат этого метода развивался в работах C.B. Медведева, И.И. Гольденбла-та, Ш. Г. Напетваридзе. Были получены спектральные графики, позволяюнще учитывать затухание в системе, расстояния от эпицентра, параметры внешнего воздействия. В 1970г. в СССР был закреплен переход на линейно-спектральную методику определения сейсмических сил. Спектральную теорию сейсмостойкости использовали своих в работах Ю.К. Зарецкий, В.Н. Ломбарде, JI.H. Рассказов, A.C. Бестужева, А.П. Троицкий, С.Г. Шульман O.A. Савинов, и др.

Ныне действующий СНиП II-7-81, а также готовящийся к выходу в свет СНиП 10-01-93, предусматривает проведение расчетов на аналоговые акселерограммы землетрясений. В этих случаях решается полная система дифференциальных уравнений, описывающих поведение сооружения при динамических воздействиях. Эти расчеты относятся ко второй группе методов расчета сейсмостойкости сооружений - динамическим.

Развитие динамических методов расчета начатось еще в недрах квазидинамического, так как использование линейно-спектральной теории требует знание форм и значений собственных колебаний плотины. Теоретические положения по определению форм собственных колебаний (ФСК) построены на математических методах Якоби, Шварца, Пиккарда и др. и получили широкое развитие в численных методах.

Из современных способов расчета грунтовых плотин на сейсмические воздействия динамическим методом можно отметить разработанный на кафедре Гидротехнических Сооружений МГСУ программный комплекс «SEISM». В

этом программном комплексе при решении задачи сейсмостойкости грунтовых гшотин используется модель грунта, в которой учитывается упруго-вязко-пластическое поведение грунта под нагрузкой.

Успешно применяется программный комплекс "Стадио", разработанный А. М. Белостоцким. В этом комплексе реализованы алгоритмы динамического расчета пространственных комбинированных систем, включающие конечно-элементные и суперэлементные схемы дискретизации краевых задач.

В диссертационной работе приводятся примеры современных методов расчета сейсмостойкости грунтовых плотин, разработанные китайскими, канадскими, иранскими и др. специалистами.

Приводится обзор методов, описывающих нелинейное поведение грунтовых сооружений при динамических нагрузках. Первыми работами в СССР в области создания теории пластического упрочнения грунтов на базе ассоциированного закона течения, предложенного Друккером, были исследования В.А. Иоселевича и Б.И. Дидуха, а затем - В.А. Иоселевича, Л.Н. Рассказова, Сысоева Ю.М., которые показали, что в процессе нагружения функция поверхности нагружения меняется. Экспериментальные исследования были проведены И. Н. Иващенко, Захаровым М.Н. и др.

В главе 2 дается описание принятой модели грунта, методов решения динамической задачи в пространственной постановке, приводится методика определения остаточных перемещений в плотине и оценки ее прочностного состояния после сейсмических воздействий; предлагаются критерии устойчивости и прочности плотины.

Решение задачи сейсмостойкости плотины в представленной работе строится на основе объединения динамического метода решения уравнений вынужденных колебаний плотины при задании сейсмического воздействия в виде акселерограммы или гирлянды акселерограмм и уравнений физического состояния грунта, описываемых математической моделью.

Процесс динамического нагружения материала протекает иа фоне статической работы конструкции, поэтому первым шагом в решении поставленной задачи является определение НДС плотины на момент начала землетрясения. Для этого в диссертационной работе использовала энергетическая модель грунта. Эта модель грунта учитывает упруго-вязко-пластическое поведение грунта под нагрузкой. Модель учитывает путь нагружения материала, его влияние на деформируемость и прочность грунтов, а также дилатантные свойства материалов. Модель реализована методом конечных элементов в сочета-шги с методом локальных вариаций и успешно используется для расчета НДС грунтовых плотин. . ,

Название «энергетической» модель получила по условию прочности, которое записывается в энергетическом виде:

U„+ \c-de = .¡St-ds„ (1)

¿1 ¿2

Энергия начальной прочности грунта U0 вместе с энергией объемного сжатия | <7 de , накопленной па всем пути нагружения L¡ представляют собой запас прочности материала, который при погружении расходуется па реализацию девиаторных компонент деформаций, доводящих материал до разрущения. J S^ds^ - энергия деформации формоизменения, a L¡ и 1.2 - параметры пути нагружения.

Предполагается, что сейсмическое воздействие вызывает в сооружении напряжения, соответствующие упругой работе конструкции. Решение динамических уравнений производится по неявной схеме с определением форм собственных колебаний.

Основное уравнение вынужденных колебаний конструкции в матричном виде записывается:

[M]|r} + [C]{r}+[K]|r| = -{MjUo,(t)-{My}uw(t)-{Mj܄(t) (2)

где [М], [С], [К] - соответственно матрицы масс, затухания, жесткости;

{ г } - вектор смещения узловых точек относительно неподвижного основания; {Мх}, {Му}, {Mz} - столбцы масс, определяющие инерционные

нагрузки по координатным осям X, У, Ъ\ и„х (0 гш, 0оу (г), 0„., (I) - компоненты сейсмических ускорений по координатным осям

х, у, г.

Проведя необходимые преобразования, получили систему независимых относительно каждой формы колебаний уравнений, которые могут быть записано в виде:

уО) + Ю; у(0 + О),2 у(0 = Р'ОУМ', (3),

где {у(1)} - некоторые функции времени, полученные из решения уравнения вынужденных колебаний с затуханием для механических моделей в виде линейных осцилляторов с разными частотами собственных колебаний. Значения этих функций выполняют роль коэффициентов пропорциональности при собстветтых формах,

М*$ = (Х}Т,[М] {Х}Г {Х}т, [М] (Х}; при ]Ч В результате решения (3) может быть получен вектор {у(0}; по ¡-тону колебаний. Решив систему независимых уравнений вида (3) для всех форм, может быть составлена матрица [У], состоящая из векторов {уСО};.

Тогда перемещения узлов конструкции определяются прямоугольной матрицей [И], одна размерность которой - число степеней свободы, а вторая -число шагов оцифровки акселерограммы:

И = [Х][У] (4)

где [X] - матрица собственных форм,

[У] - матрица смещений линейных осцилляторов с различными частотами ФСК во времени;

По значениям пульсаций упругих перемещений могут быть получены пульсации напряжений и деформаций в плотине во время землетрясения.

На каждом интервале времени, соответствующему шагу оцифровки акселерограммы, производится оценка состояния грунта по отношению к предельному, т.е. определяется коэффициент надежности в каждом элементе плотины.

Состояние «нагрузка-разгрузка» для грунта определяется согласно следующим условиям. За критерий нагружения принимается выполнение условия:

аЭ >0, (5)

где с1Э - приращение энергии деформирования в элементе,

Основным критерием прочности грунта в работе является параметр К,„ определяющий запас прочности грунта по отношению к предельному. В процессе динамического нагружения в каждом элементе плотины происходит изменение прочностного состояния, что отражается на величине коэффициента надежности, который к концу землетрясения отличается от своего первоначального состояния.

Таким образом, оценка прочностного состояния грунтовых плотин при сейсмических воздействиях путем описания процесса изменения К„ в разных элементах открывает широкие пути исследования прочности и устойчивости сооружений. Эти исследования могут быть направлены на выявление зон плотины, в которых при землетрясениях происходит процесс снижения прочности грунта и оценки возможных последствий.

В главе 3 производится исследование устойчивости и прочности сверхвысокой неоднородной каменно-земляной плотины на сейсмические воздействия в пространственной постановке. Полученные результаты сопоставлены с результатами расчетов этой плотины на сейсмические воздействия в условиях плоской деформации.

Для исследуемой плотины был произведен расчет 30 форм собственных колебаний в пространственной постановке и произведено сравнение с результатами решения плоской задачи. Период основного тона составляет. 1.07с для плоской задачи и 1.03с для пространственной. Значения периодов собственных колебаний для плоской и пространственной задач приведены в таблице 1.

Таблица 1. Периоды собственных колебании камспио-земпяной плотины.

№ ф-мы 1 2 3 4 15 16 30

Плоская задача Т, с 1,075 0,765 0,671 0,622 0,382 0,379 0,250

Простр. Задача Т,с 1,034 0,824 0,762 0,751 0,523 0,519 0,422

Для последующих форм нросгранственной задачи было отмечено значительное сгущение спектра собственных частот колебаний сооружения по сравнению с плоской задачей. Такое сгущение спектра собственных частот можно объяснить учетом колебаний, направленных из плоскости створа; при этом рассматривается сложный колебательный процесс конструкции. На рис. 1 представлена первая форма собственных колебаний грунтовой плотины в пространственной постановке.

Каменно-земляная плотина. Первая форма собственных колебаний Период собственных колебашш Т~1.034с

1-я форма Ьергпика/|внс*>< колвЭанио

А-А

1—» форма Ьвргалс&льным колвбшиэ 1 —■ ферма юлабшиЗ Ь^оль оси Ж

Спгнис Ш2 (на отм. 125,0 н)

<ПГ<\

1-я форпа (оризотлоленш ■

1-е форма кодвОокиО Ьволь оои 2

Рис. 1. Первая форма собственных колебаний грунтовой плотины.

Амплитуды горизонтальных колебаний плотины по первой форме для пространственной задачи, как и для плоской, доминируют над всеми остальными. Первую форму можно представить как сдвиговую. Произведено исследование влияния изменения расчетных характеристик грунтов тела плотины на формы и периоды собственных колебаний грунтовой плотины. Результаты показали, что увеличение объемного веса грунта приводит к росту динамического модуля упругости, что компенсирует эффект увеличения периодов собственных колебаний от увеличения объемного веса Так, например, при увеличении объемного веса сухого гравийно-галечникового грунта упорных призм с 2,2т/м3 до 2,Зт/м3 и суглинка ядра в состоянии полного водо-насыщения с 2,27т/м3 до 2,47т/м3 период основного тона увеличился только с 1,034с до 1,038с. В плоской задаче изменение периодов и конфигураций форм собственных колебаний при повышении плотности грунтов несколько более ощутимо (период основного тона в плоской задаче возрос 1,075с до 1,114с).

Методика представления информации о состоянии сооружения во время землетрясения базируется на выведении данных о НДС плотины в расчетные моменты времени. Расчетные моменты времени определяются для каждой формы собственных колебаний по наибольшим значениям у(Ч) (см. формулу 3) Кроме того, в плотине выделяются области, в которых назначаются контрольные элементы. Для них может быть получена полная информация об изменении НДС плотины во время землетрясения. Пульсация напряжений в контрольных элементах дает наглядное представление о величине напряжений в плотине.

Расчеты камешю-земляной плотины высотой 250м на сейсмическое воздействие силой 9 баллов показали, что динамические остаточные перемещения достигают максимальных значений в пригребневой зоне на откосах. В верхней части плотины и на откосах величины остаточных деформаций в плоской задаче превосходят значения перемещений, полученных в пространственной постановке в среднем на 10-15%; в нижней части плотины эти расхождения неве-

лики. Остаточные динамические перемещения в теле плотины после девяти-

баллыюго землетрясения показаны на рис. 2.

ВЕРТИКАЛЬНЫЕ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ ПЛОСКАЯ ЗАДАЧА

ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ЗАДАЧА

^ 250.0 " _ _0.08м

-----ПСРТИКАЯЪНЫЕ ПЕРКМПЦГЛИЯ

-------- ш.гежшЕ1шяо:тх>ргАкьот

Рис.2 Остаточные динамические перемещения в казенно-земляной плотине после землетрясения стой 9 баллов.

В отличие от плоской задачи, в пространственной постановке было получено, что значительная часть упорных призм находится в зоне высоких коэффициентов надежности. Это и боковые области упорных призм, и приоткосные зоны, где в плоской задаче имеются локальные области перехода грунта в предельное состояние.

В целом, расчеты показывают, что при среднем заложении откосов 1:2,5 их устойчивость обеспечена с высоким коэффициентом надежности. Исключение составляет пригребневая область со стороны низового откоса, где после землетрясения и для плоской, и для пространственной задачи появляется зона

предельного состояния, в которой могут наблюдаться явления разуплотнения, трещин.

В работе было исследовало влияние учета составляющей акселерограммы, направленной вдоль оси створа, на работу плотины. На основании результатов расчетов было выявлено, что учет сейсмического воздействия, направленного вдоль оси створа, влияет на НДС сооружения двояко. Остаточные деформации уменьшаются по сравнению с пространственной задачей, учитывающей две составляющие акселерограммы на 5-10%, однако уменьшение остаточных перемещений в теле плотины на несколько сантиметров не оказывает существенного влияния не сейсмостойкость сооружения. Вместе с тем, при учете составляющей акселерограммы, направленной вдоль оси створа, происходит заметное снижение коэффициентов надежности в бортовых примыкшш-ях и приближение состояния грунта к предельному. Также наблюдается распространение опасной области в пригребневой части плотины не только на центральное, но и на боковые сечения.

В работе проведено исследование надежности сооружения в условиях многократных динамических нагружений. Для этого произведено сопоставление состояний плотины после четырех и шести девятибалльных землетрясений в пространственной и плоской постановках. Формирование опасных с точки зрешш устойчивости сооружения областей предельного состояния в пространственной задаче развивается медленнее, чем в плоской, т.е. плотина в пространственной постановке более устойчива при расчете на действия многократных динамических воздействиях. Расчеты также показали, что в пространственной постановке критические значения деформаций возникают после большего количества землетрясений, чем в плоской задаче, что продлевает предполагаемый срок эксплуатации сооружения.

В диссертационной работе рассматривается влияние изменения свойств материалов тела плотины на НДС сооружения от сейсмических воздействий. В исследовании рассматриваются четыре расчетных варианта физико-

механических свойств грунтов тела плотины. В этих расчетных вариантах объемный вес сухого гравийно-галечникового грунта упорных призм принимает значения у=2,2т/м3 и у=2,Зт/м3 , у суглинка ядра - у=2,0т/м3 и у=2,Зт/м3. В верховой упорной призме состояние грунта принималось взвешенным, а в ядре- водонасыщенным, что было учтено в расчете.

Уровень коэффициентов надежности при повышении плотности укладки материалов тела плотины демонстрирует высокую устойчивость сооружения при землетрясении силой 9 баллов как в плоской, так и в пространственной постановке. Особенно высокие значешгя коэффициентов надежности получены при увеличении объемного веса сухого грунта упорных призм с 2,2т/м3 до 2,3 т/м3.

Для пространственной задачи, как и для плоской при повышении плотности сухого грунта тела плотины с 2,2т/м3 до 2,3 т/м3 остаточные динамические перемещения уменьшаются приблизительно в полтора-два раза.

В главе 4 проводится исследование надежности стены в грунте как элемента сопряжения грунтовой плотины с основанием. Приводятся результаты расчета НДС стены в грунте в пространственной постановке при сейсмическом воздействии различной интенсивности - 7, 8 и 9 баллов.

В качестве расчетной модели была выбрана плагина высотой 150м с центральным ядром из суглинка. В основании плотины залегает гравийно-галечниковый грунт, его пересекает стена в грунте, которая проникает в основание на 70м и на 7м в ядро. Толщина стены в грунте - 1,2м.

Расчет был произведен для случаев возведения стены в грунте го бетона и глинобетона, т.е. было рассмотрено влияние материала на работу данной конструкции при динамических воздействиях.

Расчеты показали, что даже после семибалльного землетрясения в стене в грунте как в плоской, так и в пространственной задачах возникают сжимающие напряжения порядка 100кг/см2, что соизмеримо с призмешюй

прочностью бетона на сжатие и превосходит кубиковую прочность глинобетона.

Как было установлено в ряде исследований, наиболее слабым местом конструкции является консольная часть стены в грунте, входящая в ядро или экран из основания. Растягивающие напряжения, возникающие в консольной части стены в грунте при семибалльном землетрясении, достигают 90кг/см2 и существенно превосходят прочность бетона и тем более глинобетона на растяжение. Таким образом, при расчете на динамические воздействия можно прогнозировать возникновение аварии при проектировании стены в фунте с консолью, входящей в ядро.

В работе произведен расчет конструкции на динамические воздействия при учете разного числа форм собственных колебаний. Было установлено, что значения тотальных напряжений (от статических и динамических воздействий) в стене в грунте при учете равного числа форм собственных колебаний в плоской задаче на 10-15% превосходят напряжения, полученные в пространственной постановке. Увеличение числа учитываемых ФСК с 10 до 22 влечет увеличите напряжений в стене: в плоской задаче на 7-15% , в пространственной -до 20%. Дальнейшее увеличение числа учитываемых ФСК (до 30) незначительно повлияло на НДС конструкции. Однако вопрос о необходимом числе форм собственных колебаний для каждой задачи определяется индивидуально, поэтому можно дать рекомендацию в прострапственной задаче учитывать максимально возможное их количество, но не менее 20.

Создание степы в грунте в основании и сопряжение се с ядром возможно осуществить потерной. Потерна - арка, которая воспринимает нагрузки от давления воды, грунта, сейсмических воздействий - позволит добиться перераспределения напряжений в оголовке стены в грунте.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. В пространственной постановке происходит сгущение спектра периодов ФСК по сравнению с плоской задачей, что объясняется учетом колебатель-

ного процесса вдоль оси створа плотины. В связи с этим в пространственной постановке необходимо производить расчет большего числа форм собственных колебаний (не менее 25-30 ФСК), чем в плоской задаче, чтобы учесть наиболее энергоемкие формы.

2. Как в плоской, так и в пространственной задачах максимальные динамические напряжения не совпадают по времени с тисами ускорении акселерограммы, то есть инертность системы смещает максимумы откликов во времени (при продолжительности сейсмического воздействия ЗОсек смещение максимумов составляет 5-8сек). Таким образом, для пространственной задачи подтвердилась концепция определения расчетных моментов времени не по пикам акселерограммы, а по максимальным смещениям линейных осци-ляторов (систем с одной степенью свободы). В дополнение к этому, информацию о НДС конструкции при динамических воздействиях удобно полу. чать путем назначения кюггрольиых элементов в теле плотины и выведения данных о них на протяжении всего землетрясения.

3. При учете двух составляющих акселерограммы (горизонтальной и вертикальной) происходит снижение средних значений остаточных динамических перемещений после сейсмического воздействия на 10-12% по сравнению с плоской задачей. При этом также наблюдается более благоприятное прочностное состояние груша в пригребневой и приоткосной зонах по сравнению с плоской задачей.

4. При учете трех составляющих акселерограммы (горизонтальной, вертикальной и вдоль оси створа) наблюдается снижение средних значений остаточных динамических перемещений после сейсмического воздействия на 1012% по сравнению с плоской задачей и на 3-5% по сравнению с пространственной задачей, учитывающей две составляющие акселерограммы. Однако от действия составляющей акселерограммы, направленной вдоль оси створа, ухудшается прочностное состояшгс грунта в бортовых примыкапиях, а также в пригребневой зоне плотины, опасной с точки зрения сейсмических воздей-

ствий. Таким образом, учет третьей составляющей акселерограммы, направленной вдоль оси створа, необходим, так как ее влияние может быть двояким - положительным и отрицательным. Кроме того, учет трех составляющих акселерограммы более точно отражает реальную работу конструкции.

5. Учет пространственной работы конструкции при расчете на многократные сейсмические воздействия открывает дополнительные резервы при определении срока эксплуатации сооружения. Так, разрушение при расчете плотины по пространственной схеме может наступить после шестого землетрясения, в то время как при решении задачи плоской деформации - после четвертого. При средней повторяемости землетрясений 1 раз в 300 лет этот факт продлит предполагаемый срок эксплуатации плотины на 600 лет.

6. Расчеты стены в грунте ( элемента сопряжения грунтовой плотины с основанием) в плоской и пространственной постановках продемонстрировали ее уязвимость, при динамических воздействиях. Даже при землетрясении силой 7 баллов в консольной части стены в грунте, входящей в противофильтраци-онный элемент, возникают растягивающие напряжения, значительно превосходящие прочность бетона и тем более глинобетона (как варианта материала стены в грунте). Создание стены в грунте в основании и сопряжение ее с ядром возможно осуществить потерной. Потерна - арка, которая воспринимает нагрузки от давления воды, грунта, сейсмических воздействий - позволит добиться перераспределения напряжений в оголовке стены в грунте.

7. В связи с отрывшимися возможностями расчета конструкций по пространственным схемам, проектирующим организациям необходимо большее внимание уделять сбору информации о расчетных акселерограммах, особенно об их составляющих, направленных вдоль оси створа. Получение достоверной информации об акселерограммах до сих пор является одной из наиболее трудоемких задач, встающих перед инженерами, а данные о третьей составляющей акселерограммы еще менее распространены. Принимая во внимание, что учет этой составляющей акселерограммы в расчетах может оказы-

J9

Bai ь существенное влияние на НДС сооружения, проблема получения необходимых данных о ней является весьма значительной.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах:

1. Рассказов Л.Н., Бестужева A.C., Абарин A.M. Безопасность грунтовой плотины при сейсмических воздействиях в пространственной постановке. Сб. «Безопасность энергетических сооружений», №4, 1999

2. Рассказов Л.Н., Бестужева A.C., Абарин А.М. Стена в грунте. Напряженно-деформированное состояние при сейсмических воздействиях. Плоская и пространственная задачи. «Г'идротехническое строительство» №6, 1999

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

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

>. Абарин A.M. Принципы формирования матрицы жесткости при решении пространствешюй задачи. Материалы второй научно-практической конференции молодых учёных, аспирантов и докторантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности».М., МГСУ, 1999, ч. 1.

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.1997 г.

Подписано в печать 14.12.99г. Формат 6084 1/16 Печать офсетная И-145 Объем 1 п. л. Т. 80 Заказ ¡44

Московский государственный строительный университет. Типография МГСУ. 129337, Москва, Ярославское ш., 26

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1.В пространственной постановке происходит сгущение спектра периодов ФСК по сравнению с плоской задачей, что объясняется учетом колебательного процесса вдоль оси створа плотины. В связи с этим в пространственной постановке необходимо производить расчет большего числа форм собственных колебаний (не менее 25-30 ФСК), чем в плоской задаче, чтобы учесть наиболее энергоемкие формы.

2. Как в плоской, так и в пространственной задачах максимальные динамические напряжения не совпадают по времени с пиками ускорений акселерограммы, то есть инертность системы смещает максимумы откликов во времени (при продолжительности сейсмического воздействия ЗОсек смещение максимумов составляет 5-8сек). Таким образом, для пространственной задачи подтвердилась концепция определения расчетных моментов времени не по пикам акселерограммы, а по максимальным смещениям линейных осци-ляторов (систем с одной степенью свободы). В дополнение к этому, информацию о НДС конструкции при динамических воздействиях удобно получать путем назначения контрольных элементов в теле плотины и выведения данных о них на протяжении всего землетрясения.

3. При учете двух составляющих акселерограммы (горизонтальной и вертиперемещений после сейсмического воздействия на 10-12% по сравнению с плоской задачей. При этом также наблюдается более благоприятное прочностное состояние грунта в пригребневой и приоткосной зонах по сравнению с плоской задачей.

4. При учете трех составляющих акселерограммы (горизонтальной, вертикальной и вдоль оси створа) наблюдается снижение средних значений остаточных динамических перемещений после сейсмического воздействия на 1012% по сравнению с плоской задачей и на 3-5% по сравнению с пространственной задачей, учитывающей две составляющие акселерограммы. Однако от действия составляющей акселерограммы, направленной вдоль оси створа, ухудшается прочностное состояние грунта в бортовых примыканиях, а также в пригребневой зоне плотины, опасной с точки зрения сейсмических воздействий. Таким образом, учет третьей составляющей акселерограммы, направленной вдоль оси створа, необходим, так как ее влияние может быть двояким - положительным и отрицательным. Кроме того, учет трех составляющих акселерограммы более точно отражает реальную работу конструкции.

5. Учет пространственной работы конструкции при расчете на многократные сейсмические воздействия открывает дополнительные резервы при определении срока эксплуатации сооружения. Так, разрушение при расчете плотины по пространственной схеме может наступить после шестого землетрясения, в то время как при решении задачи плоской деформации - после четвертого. При средней повторяемости землетрясений 1 раз в 300 лет этот факт продлит предполагаемый срок эксплуатации плотины на 600 лет.

6. Расчеты стены в грунте (элемента сопряжения грунтовой плотины с основанием) в плоской и пространственной постановках продемонстрировали ее уязвимость, при динамических воздействиях. Даже при землетрясении силой 7 баллов в консольной части стены в грунте, входящей в противофильтраци-онный элемент, возникают растягивающие напряжения, значительно превосходящие прочность бетона и тем более глинобетона (как варианта материала стены в грунте). Создание стены в грунте в основании и сопряжение ее с ядром возможно осуществить потерной. Потерна - арка, которая воспринимает нагрузки от давления воды, грунта, сейсмических воздействий - позволит добиться перераспределения напряжений в оголовке стены в грунте.

7. В связи с отрывшимися возможностями расчета конструкций по пространственным схемам, проектирующим организациям необходимо большее внимание уделять сбору информации о расчетных акселерограммах, особенно об их составляющих, направленных вдоль оси створа. Получение достоверной информации об акселерограммах до сих пор является одной из наиболее

219 трудоемких задач, встающих перед инженерами, а данные о третьей составляющей акселерограммы еще менее распространены. Принимая во внимание, что учет этой составляющей акселерограммы в расчетах может оказывать существенное влияние на НДС сооружения, проблема получения необходимых данных о ней является весьма значительной.

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

2. Biot M. A. Mechanical analyzer for the prediction of Earthquake stresses. Bulletin of Seismological Society of America, 1941, V. 31 №2

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

4. English U. Desponse of 2-D concrete gravity dam interacted with foundation and reservoir. Proceedings of the international symposium on seismic and environmental aspects of dams design: earth, concrete and tailings dams. Volume I, Santiago, 1996.

5. Fefungio J. Dynamics of soil. 6-th World Conference of Earthquake Engineering. Indian Society of Earthquake Technology, 1977

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

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

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

9. J. M. Fleureau. Measurement of negative pore pressure in tailing dams. Proceedings of the international symposium on seismic and environmental aspects of dams design: earth, concrete and tailings dams. Volume I, Santiago, 1996.

10. Liatn 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.

11. Ollala 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.

12. 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.

13. 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.

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

15. 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.

16. Tinawi, J-F Marchland. Three Dimensional Static, Thermal and seismic Analysis of Polygonal Gravity Dams, «Dam Engineering», Volume 5, Issue 3, October 1994.

17. Vicent D., Portilla 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.

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., Вилсон 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. Беляков A.A., Солдатов. П.В., Хуньба К.Х. Пространственная работа ка-менно-земляных плотин с учетом фактора времени. Сб. «Научно-технический прогресс в гидротехническом строительстве». Тбилиси, 1988.

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

28. Волохова М.Н. О коэффициенте затухания колебаний при расчете плотин из местных материалов на сейсмические воздействия. Труды ин-та ВО-ДГЕО, вып. 30, М., 1971

29. Вялов С.С. Реологические основы механики грунтов. "Высшая школа", М., 1978

30. Гольдин А.Л., Рассказов Л.Н. Проектирование грунтовых плотин -"Энергоатомиздат", М.Д987

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

32. Грошев М.Е., Олимпиев Д.Н. Об оценке сейсмостойкости бетонных гравитационных плотин, работающих совместно с основанием, «Гидротехническое строительство» №4,1991

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

46. Ливсли Р. Матричные методы строительной механики. «Стройиздат», М., 1980

47. 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

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

49. 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 JL, 1976.

50. 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

51. 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

52. Медведев C.B. Ускорения колебаний грунта при сильных землетрясениях. Сб. Вопросы инженерной сейсмологии, труды ИФЗ АНСССР, М., 1960

53. Напетваридзе Ш.Г. Сейсмостойкость гидротехнических сооружений. -"Госстройиздат", М., 1959

54. Ньюмарк, Розенблюэт. Основы сейсмостойкого строительства. «Строй-издат», М., 1980

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

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

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

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

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

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

61. Рассказов JI.H. Джха Д. Деформируемость и прочность грунтов при расчете высоких грунтовых плотин. «Гидротехническое строительство» №7, 1977

62. Рассказов JI.H. Схема возведения и напряженно-деформированное состояние плотины с центральным ядром. «Энергетическое строительство» №2, 1977.

63. Рассказов JI.H. Условие прочности грунтов. Труды ВОДГЕО, вып. 44, 1974

64. Рассказов JI.H., Бестужева A.C. К вопросу сейсмостойкости грунтовых плотин. «Строительная механика и расчет сооружений», Стройиздат, М., 1989

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

66. 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

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

68. Рассказов JI.H., Бестужева A.C., Саинов М.П. Бетонная диафрагма как элемент реконструкции грунтовой плотины. «Гидротехническое строительство» №4,1999

69. Рассказов JI.H., Витенберг М.В. Напряженно-деформированное состояние плотин и их устойчивость. Труды ВОДГЕО, вып 34, 1972

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

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

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

73. Рахмадулин X.A. Сагомонян А.Я., Алексеев H.A. Вопросы динамики грунтов. Издательство МГУ, 1969

74. Синицин А.П. МКЭ в динамике сооружений. М., «Стройиздат», 1978

75. СНиП II-7-81 Учет сейсмического воздействия при проектировании гидротехнических сооружений. Л. 1986

76. Снип П-54-77 часть II «Плотины бетонные и железобетонные». Госстрой СССР, Москва 1978

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

78. Шейнин И.С. Колебания конструкций гидротехнических сооружений. «Энергия», Л., 1967228

79. 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

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