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

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Да правах рукописи

БЕСТУЖЕВА АЛЕКСАНДРА СТАНИСЛАВОВНА

627.824.32:699.841

СЕЙСМОСТОЙКОСТЬ ГРУНТОВЫХ ПЛОТИН (Б. 23.0?. Гидротехническое и мелиоративное строительство

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1994

Работа выполнена на кафедре Гидротехнические сооружения Московского Государственного Строительного Университета.

Научный руководитель - академик АВН, доктор технических

наук, профессор Л.Н.Рассказов.

Официальные оппоненты:

¿рцзчн-д ~/Чо у^-е/с^.и-

академик АЕН, доктор теяшивеюу< наук А.И.Сазкч кандидат технических наук Н.Н.Швгщэтю Бедуаря организация - институт. "СовИнтерВод"

Защита диссертации состоится " " 1994 г

в /час. Зо мин. на заседании диссертационного совета Д.053.11.04 в Московском Государственном Строительном Университете по адресу: Уоснвд, ул.Спартаковская, д.2, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Просим принять участие в заседании совета и направить отзы; на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, по адресу 129337, Цшжза, Ярославское сссса, д. 28, ССУ, Учоний сопят.

Автореферат разослан " 1994 года

Ученый секретарь диссертационного совета,

I. ОБЦАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современное строительство высоких и сверхвысоких грунтовых плотин производится часто в условиях с высокой сейсмической активностью района, что предъявляет повышенные требования к надежности сооружений, к методам их расчета и проектирования. Надежность сооружения при сейсмических нагрузках определяется прежде всего прочностным состоянием материала тела плотины, а также величиной остаточных деформаций в плотине после землетрясения.

В/виду того, что плотины, возводимые в районах с повышенной сейсмической активностью, будут испытывать многочисленные сейсмические воздействия, важно оценить не только выдержит ли плотина расчетное землетрясение, но и сколько землетрясений с заданной вероятностью повтоений она выдержит без опасных последствий.

Седь и задачи работы. Целью работы является исследование сейсмостойкости грунтовых плотин на протяжении длительного промежутка времени (возможно и всего срока эксплуатации), включающего возможные сейсмические воздействия разной интенсивности. Для этого было необходимо решить следующие задачи:

1. Создать алгоритм расчета грунтовых плотин на сейсмические воздействия, задаваемые в виде акселерограммы или "гирлянды" акселерограмм, с целью определения величин остаточных перемещений и изменения прочностного состояния плотины после прохождения сейсмической волны.

2. Учесть в алгоритме смещения точек грунта основания плотины в соответствии с пробеганием по нему сейсмической волны, т.н. эффект "бегущей волны"

3. Разработать программный комплекс, позволяющий исследовать сложную работу грунтовых плотин при сейсмических и статичес- • ких нагрузк. При этом напряженно-дефомированное состояние (НДС) грунтовых плотин, вызванное статическими нагрузками (собственный вес, давление воды со стороны ВБ) являются фоном, на котором развивается и с которым взаимодействует НДС, вызванное сейсмическими на--рузками.

4. Определить критерии, по которым возможно оценивать работо-пособность плотины в условиях многократных сейсмических воздейст-ий. Для этого бьии выбраны два показателя - величины остаточных

динамических перемещений и величины изменения коэффициентов надеж-

ности в плотине после каждого землетрясения.

5. Отработать методику численных исследований и определить влияние различных расчетных факторов на показатели работоспособности плотины, по которым оценивается ее прочность и устойчивость.

6. Провести численное исследование работоспособности различных конструкций грунтовых плотин в условиях с разными вариантами сейсмических воздействий.

Научная новизна работы заключается:

- в работе впервые предлагается методика, позволяющая оценить срок службы гидротехнического сооружения, в течении которого возможно неоднократное повторение сейсмических воздействий разной интенсивности;

- в возможности определения величин остаточных перемещений в плотине и ее прочностного состояния во время и после землетрясения;

- в учете значительной протяженности грунтовых плотин по основанию и связанной с этим особенностью расчета- учет "бегущей волны"

Практическое значение. Исследования работы грунтовых плотин в сейсмических условиях дают возможность ответить на некоторые вопросы, касающиеся надежности и долговечности гидротехнических сооружений:

- какие землетрясения, в каком количестве и в какой последовательности может выдержать проектируемая плотина без нарушения) ее функций как водоподпорного сооружения; при этом оценка работоспа. собности ведется по допустимым перемещениям; •

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

- каковы закономерности формирования и развития областей предельного состояния, образующих поверхности обрушения.откосов или грозящих нарушением функций противофильтрационньк или иных элементов плотины при сейсмических воздействиях.

На защиту выносятся следующие вопросы:

1) разработка критериев, способных оценить устойчивость и прочность плотин, работающих в районах с повышенной сейсмической активностью;

2) методика расчета остаточных перемещений в плотине и изменения ее прочностного состояния после землетрясений;

3) влияние учета "бегущей волны" на изменение напряженно-деформированного состояния плотины во время землетрясения и на величину остаточных перемещений в ней после землетрясений;

4) оценка влияния различных расчетных факторов, таких как: интенсивность сейсмического воздействия, число учитываемых форм собственных колебаний, свойства основания тела плотины на величину остаточных перемещений в плотине после землетрясения;

5) исследование работоспособности плотины в условиях многократных сейсмических воздействий, оценка влияния частоты повторяемости и последовательности землетрясений на процесс накопления остаточных перемещений в плотине и изменение ее прочностного состояния.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались автором на Всесоюзной конференции молодых специалистов" (ВНИИГ им. В.Е.Веденеева, 1985); на Всесоюзной конференции молодых специалистов "Строительство ГЭС в высокогорных условиях" (Цхал1убо, октябрь 1986 г.), на Всесоюзном совещании по проектированию и строительству энергетических объектов в сейсмических условиях (СЭО-88) (Нарва, май 1988 г.).

По результатам диссертационной работы опубликовано четыре печатных работы.

Объем диссертации. Диссертация состоит из предисловия, введения, четырех глав, общих выводов, приложения и списка литературы. Общий объем работы {39 стр., в том числе 147 страниц машинописного текста, <50 страниц рисунков,' 6 страниц таблиц, б страниц приложения и списка литературы из 30 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работа и ее практическая значимость.

В главе I рассматривается литература по исследуемо^ вопросу, которая изложена в соответствии с основными этапами развития теории сейсмостойкости грунтовых сооружений. Первый этап связан с зарождением и внедрением в расчетную практику 20-х годов (Ф.Омори) теории статической сейсмостойкости. Шла получена простейшая за-

висимость на основе второго закона Ньютона для определения сейсмических сил. Расчетный метод был назван методом "коэффициента сейсмической нагрузки" и был принят в основу нормативных расчетов в ряде стран мира и в том числе в СССР. По мере накопления опыта величину коэффициента сейсмической нагрузки корректировали в зависимости от высоты сооружения, свойств основания, характера внешнего воздействия. В 1920 японский специалист Мононобе предложил синусоидальный закон сейсмических колебаний основания при исследованиях поведения простейшей схемы - линейного осциллятора в условиях вынужденных колебаний. Эти работы положили начало развитию квазидинамического метода расчета сооружений. Дальнейшие исследования в работах К.С.Завриева, А.Г.Назарова, И.А.Корчинского позволили отразить в расчетной зависимости влияние демпфирования в системе, способа приложения и характера внешнего воздействия. В 1933 году Н.Био была высказана идея спектрального метода определения сейсмических нагрузок. На основе записей акселерограмм реальных землетрясений им был предложен график для определения максимальных ускорений в конструкции в зависимости от периода ее 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 С.В.Медведева, И.И.Гольденблата, Ш. Г.Налетваридзе были получены спектральные графики, позволяющие учесть затухание в системе, расстояние до эпицентра, параметры внешнего воздействия. В 1970 году в СССР были введены новые норм? СГмП П-А. 12-69, в которых окончательно был закреплен переход на линейнс-спектральцую методику определения сейсмических сил. Даль нейшее развитие спектральная теория сейсмостойкости получила в работах А.А.Харкевича, В.Н.Ломбардо, В.М.Лятхера, O.A.Савинова, А.П.Троицкого, С.Г.Щульмана, А.М.Уздина и в 1982 году были введены новые, ныне действующие нормы СНиП П-7-81.

Согласно СНиП П-7-81, в настоящее время расчетные обосновать устойчивости гидротехнических сооружений, строящихся в сейсмоактивных районах, проводятся по спектральной теории. Согласно нормативной методике определяется инерционная нагрузка и оценивается устойчивость откосов грунтовых сооружений.

В связи с тем, что линейно-спектральная теория не учитывает напряженно-деформированного состояния сооружения и реальные свойства грунтовых материалов, что особенно важно при расчетах оейсыи стойкости высоких грунтовых плотин. СНиП П-7-С1 ппе.-усматгигеавт

.проведение расчетов на аналоговые акселерограммы землетрясений, когда решается полная система дифференциальных уравнений, описы-ващих поведение сооружения при сейсмическом воздействии. Эти расчеты относятся ко второй груше методов расчета сейсмостойкости сооружений » динамическим.

Развитие динамических методов расчета сооружений началось зще 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 ¡»тематики (ре-некие векового уравнения) и .построены на идеях Якоби, Шварца, Пик-карда и др. и получили широкое развитие в численных методах. До начала эры компьютеров некоторые ученые решали вековое уравнение, используя различные пркблияенше приемы. Здесь в первую очередь можно выделить А. П. Снницина, который предложил в качестве ФСК использовать линии влияния и Ш.Г.Нанетваридзе, получившего форму-ля для определения периодов первых тонов ФСК для плотин и др. В прикладных областях науки широкое развитие получили экспериментальные методы определения ФСК на моделях и в натурных условиях. Здесь следует выделить работы Ш.Г.Шкетваридэе, Н,Н.Аабрасейса, П.И. Гордиенко и Г.Э.Шаблинского, которые использовали резонансный метод определения 5СК.

Расчет напряженно-деформированного состояния, прочности и устойчивости грунтовых сооружений осложняется тем обстоятельством, что грунты представляют собой трехфазную среду, отличающуюся нелинейным характером деформирования. Учет всех свойств грунта в некоторой обобщенной модели ^представляется чрезвычайно слояной задачей, поэтому многие существующие в настоящее время математичес-

кие модели отрак&ят толь некоторые наиболее ванные свойства.

В рамках лннейно-уп ой среда для отражения нелинейного характера деформирования вводят зависимость динамических деформационных характеристик от напряженного состояния (деформационная модель грунта). На той жэ идее основаны вычислительные метода с переменной матрицей жесткости, которые пироко используются и в настоящее время. '

Изучение волновых процессов в твердых телах как упруго-пластических средах било начато X.А.Рахмагулиным и Г.Тейлором, продолжено в работах А.Ю.Ишлииского, В.В.Соколовского, Ляхова, Новицкого. Для грунтовых материалов модель упруго-пластической среды с линейными диагракиэйга тгрузки и разгрузки использовал Б. А. Оли-сов, в работах Г, Й, Белгороде кой была приметна диаграмма Правдт-

,ля 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 зависиди только от среднего нормального напрянения, сдвиговые деформации в допредельном состоянии описывались моделью линейно-упругой сроды, в предельном состоянии развитие пластических сдвиговых деформаций списывалось соотношениями Правдля-Рейса-Григоряна с условием пластичности Мизеса-Шлейхера-Боткина.

Одьой из простейших моделей с вязкостью является модель линейной вязко-упругой среды, предложенная в работах Г.М.Ляхова для описания волновых процессов при небольших нагрузках. Частным: случаями модели линейной вязко-упругой среды являются модели Максвелла и Кельвина-Фойгта. 5 дальнейших работах Г.М.Ляхова была предложена модель нелинейной вязко-пластической среды, которая в дальнейшем совершенствовалась.

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 пирок.

Описание пластических деформаций грунта, основанное на поня тии о поверхности нагруаения, в механике сплошных сред осуществляется в рамках двух основных типов моделей. Один тип - болеэ простой, модель идеальной упруго-пластической среды, в которой принимается, что поверхность нагруаения фиксирована и на зависит от изменения пластических деформаций. Второй тип - -упрочнявшейся пластической среды, в которых происходит трансформация поверхности нагружения в процессе развития главным образом объемных пластических деформаций, а такае сдвиговых, вызываицик дияатаисиа (ш рекрестные связи).

Ееувши работами в области создания теории пластического уп-рочненния грунтов были исследования В.А.Иоселавича, Б.Й.Дидуха, которъ'8 показали, что в процессе кагруЕвння функция поверхности нагругения меняется. Эти исследования были продолжена в работах И.Н,Иващэнко, М.Захарова, В.А.Иоселевича, Л.Н.Рассказова, В.Н. Дятхера, Ю.Н. СЬсоава, Ю.К.Зарвцкого, В. Н.Лоабардо и др. В НИСе Гидропроекта успешно используется разработанная &,Н.гарецгза?,В.Н.

Яомбардо, М.Е.Грошевым модель грунта, основанная на теории пластического течения с упрочнением.

В настоящее время предложен* многочисленше работы по решению задач сейсмостойкости грунтовых сооружений, основанные на различных теориях и расчетных методах. Это работы И. Н. Белгородской, Б.И.Дидуха, Ю.М.Ескина, Ю.К.Зарецкого, И.Н.Иващенко, В.Н. Ломбардо, В.М.Лятхера, А.Н.Моцонелидзе, Л.Н.Рассказова, А.П.Си-ницина, С.Г,%лы.;ана, Л,А.Эйслера и др., а также зарубежных ученых Био Н., ШЬпра А., Дибай М., Клаф Р., Рензиен Дж., Сид X., Хей-ланд С., Зинкевич 0., И.Окамото и др.

В главе 2 дано описание принятой модели грунта, методов расчета динамической задачи, с учетом скорости распространения сейсмической волны в основании плотины, приводится методика определения остаточных перемещений и прочностного состояния плотины после землетрясения, предлагаотся критерии оценки устойчивости и прочности плотина.

Исследование устойчивости и прочности грунтовых плотин при действии сейсмических сил является одним из важных этапов проектирования плотин в сейсмически опасных районах. %сто именно особенности работы плотин в сейсмических условиях и определяют их конструкции.

Сейсмостойкость плотин традиционно оценивается исходя из предположения о том, что плотина будет устойчива, если ее напряженное и деформированное состояние после землетрясения будет /довлетворять выбранным критериям. Однако, тот факт, что такая плотина будет устойчива также после повторных землетрясений не является очевидным, так как от землетрясения к землетрясению -в сооружении накапливаются изменения, которые в конце-концов могут привести к разрушению,

Таким образом, представляется важным оценить не только выдержит ли плотина то или иное воздействие, но и сколько таких (или иных) воздействий пройдет для нее без опасных последствий. Поэтому, для плотин, работающих в зоне повышенной сейсмичности монет оказаться актуальным вопрос не только силы, но и частоты повторяемости сейсмических воздействий.

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

Процесс динамического нагружения материала протекает на фоне статической работы конструкции, поэтому первым шагом в решении поставленной задачи является определение ЭДС плотины на момент качала землетрясения.

Энергетическая модель грунта, разработанная Л. R. Рассказовым учитывает упруго-вяако-пластическое поведение грунта под нагрузкой. Модель учитывает цуть нагружения материала и его влияние на деформируемость и прочность грунтов, дилатантные свойства материалов, а такго процесс релаксации напряжений во времени. В соединении с методой конечных элементов и методом локальных вариаций, модель уепешнопользуется для расчетов ЭДС плотин.

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

что дает возможность оценить изменение прочности только за счет пластического деформирования далее при неизменном напряженном состоянии.

Связь между приращенняда напряжений и деформаций в модели записывается в соответствии с работами Л, Н.Рассказова и ГЦВ.Сол-датова.

В работе предполагается, что сейсмическое воздействие вази вает в сооружении напряжение, соответствующее упругой работе конструкции и определяется упругими характеристиками. Pcneime динамических уравнений проводится по неявной схеме с определением соб! ственннх форм и значений. При реиении основного уравнения внцув-денных колебаний учитывается значительная протяженность грунтовые сооруаений по основанию, что вызывает неравномерность сыещэннй узлов в основании плотит при пробегании по иену сейсмической волны (эффект "бегущей волны"). Затухание при ревении динамических уравнений принималось функцией от частоты собственшх колебаний.

Основное уравнение вычувденгах колебаний конструкции в матричном виде записывается:

С м]{?}+и {?] * CK](Z} * -{мх} iijt) -1му) йоу (t) «>

где {М*} и {Му] _ столбцы масс, определяющие горизонтшп и вертикальную инерционше нагрузки, соответственно.

При этом предполагается, что плотина расположат ш шизш-няеной платформе, которая претерпевает сейсмические колебания как

одно целое. На самом жз деле, грунтовые плотины при высоте до 300 м и более имеют протяженность по основанию,измеряемую сотнями метров, вследствие чего, допущение об однородности поля смещения частиц грунта в основании плотины может оказаться приемле-шм лишь при строительстве грунтовых плотин малой высоты. Для большинства высоких плотин, расположенных на нвскальных основаниях, ширина плотины по основанию сопоставима, а иногда даже больше длины полуволны. В этом случае разные точки в основании будут испытывать различные сейсмические ускорения. Для отражения этого явления в работе рассматривается решение динамической задачи с учетом скорости распространения сейсмической волны в основании, именуемая как задача с 'учетом "бегущей волны". Уравнение движения с учетом "бегущей волны" было получено в работах А.К. Чопры, И.Дибай, Д.Клафа, Да. Пензивна и Л.Сида в 1969 году.Оно было записано в виде:

Екай -ИЙ 3 (3)

Теоретические основы и последовательность решения (3) изложены в диссертационной работе.. Особенностью решения (3) является построение матрицы влияния С В Д , столбцы которой используются в записи уравнения. Авторами метода "бегущей волны" был предложен прием определения матрицы влияния С В Ц с помощью построения "окаймляющей" части матрицы жесткости С^О и использования эё как нагрузки при решении матричного уравнения:

Мхсвз --саз (4)

где [ К ] - матрица жесткости системы; £ В Д - матрица влияния; [а] - "оглймяшцая" часть матрицы жесткости.

Следует отметить, что расекие основного уравнения (3) с учетом "бегущей волны" становится тождественно равным решению основного уравнения (2), если принять, что скорость распространения сейсмической волны бесконечно велика, что и является условием рэ-пзния дииадаческого уравнения без учета "бегущей воянн"(£).

Проведя преобразования дет кавдой из фору собственшх колебаний, уравнение вынуадешых кожебанкЯ едаткчкоЗ кассы запишется:

¿¡(V + ¿Л 3 (Ц + = т ^ * (5)

где

№ -2 {*1}[ИЗ{ВЛ.,} » И)

м;-{х}Г [м]{х}г

После решения численными методами (5) для каждой формы колебаний, будет получена матрица перемещений узлов области на все моменты времени действия сейсмической нагрузки •

В узлах плотины при учете "бегущей волны" возникают также перемещения другого рода: взаимные горизонтальные смещения узлов основания провоцируют появление волн "сжатия-растяжения", которш вызывают дополнительные смещения узлов в теле плотины , ко

торые могут быть получены в результате двойного интегрирования акселерограммы в каждый рассматриваемый момент времени:

Щ - . [В,ки]// и.,и-№

Таким образом, вектор полных перемещений узлов области явля ется суммой векторов { , получаемых из (5) и {Ъ^ , получаемых из (б).

По значениям пульсаций упругих перемещен^, согласно положе ниям теории упругости, могут быть подучены пульсации напряжений и деформаций в плотине во время землетрясения.

В сумме со статическими, пульсация компонент напряжений вызывает в каэдой точке сооружения развитие пластических и вязких деформаций согласно принятой модели грунта. При этом имеют место и упругие деформации* Деформации ползучести при кратковременном нагружении ничтожно малы, но на этапах статической работы плотины между землетрясениями они в основном и определяют величину остаточных перемещений.

Ка каждом шаге по времени, что совпадает с шагом оцифровки акселерограммы, производится оценка состояния грунта по отношени к предельному, т.е. по соотношению (I) определяется коэффициент надежности в каждом элементе плотины.

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

ё, Э > 0 или с/ К„ < О

(7)

где ¿Э - приращение энергии объемного сжатия в элементе; изменение в элементе при последующем шаге нагружения.

Поскольку знамения пластических деформаций зависят от напряженного состояния материала и от состояния грунта по отношению к предельному,то процесс их расчета совмещен по времени с оценкой прочностного состояния грунта, которое в начальный момент действия сейсмической нагрузки берется из решения статической задачи.

Шастические деформации после каддого шага нагруаения накапливаются. По имеющимся к концу землетрясения полным пластическим деформациям, используя принцип Чизаро, могут быть получены остаточные перемещения в плотине после каждого землетрясения.

Решение задачи можно считать законченным, если проведены все расчеты на выбраните акселерограммы с учетом их повторяемости в районе строительства или, когда остаточные перемещения остановятся выше допустимых из условий эксплуатации сооружения.

Основным критерием локальной прочности грунта в работе является параметр , определяющий запас прочности грунта по отно-Еенню к предельному. В процессе динамического нагружения в каждом элементе плотна происходит изменение прочностного состояния, что отражается на величине коэффициента надежности , который к концу землетрясения отличается от своего начального значения.

Таким образом, оценка изменения прочностного состояния грунтовых плотин при сейсмических воздействиях с помощью описания процесса изменения Кг) в разных точках, открывает широкие возможности исследования прочности и устойчивости грунтовых плотин. Эти исследования могут быть направлены на выявление зон плотит, в которых от землетрясения к землетрясению идет процесс снижения прочности грунта, и, которое в конце концов могут перейти в состояние пластического течения ( Нц • I).

С другой стороны, в процессе землетрясения, в течение короткого произдутка времени, в отдельных областях могут возникать состояния грунта, близкие к предельному и даже предельное. Однако, это еще не означает разрушения материала, поскольку, в следующий момент времени сейсмическая нагрузка изменится, произойдет перераспределение напряжений, реализуются накопленные перемещения и коэффициент надежности может увеличиться.

Расчета ва многократные сейсмические воздействия помогают выявить те области в плотит, в которге снижение К)1 не является

временным процессом", а ведет к образованию поверхностей обрушения на откосах, к разрыхлению и расслоению переходных зон, к нарушению функций водонепроницаемых элементов.

Вместе с тем, расчеты на многократные сейсмические воздействия открывают резервы несущей способности сооружения, когда в большом объеме тела плотины, находящемся в состоянии всестороннего сжатия, идет процесс упрочнения грунта.

В главе 3 проводится исследование устойчивости и прочности плотины средней высоты на сейсмические нагрузки.

С целью отработки методики расчетов грунтовых плотин на сейсмические воздействия был решен ряд практических задач для взры-вонабросной плотины, высотой 60 м. На основе этих расчетов в работе даны оценки влияния различных факторов на величины остаточных перемещений в плотине и ее прочностное состояние. Рассматривались следующие факторы: интенсивность землетрясения, скорость распространения сейсмической волны в основании плотины, число учитываемых в расчетах форм собственных колебаний (ФСК), многократность динамического нагружения.

В работе показано, что увеличение силы воздействия на один балл (с 0,4g до 0,8g ) приводит к увеличению максимальных остаточных динамических перемещений менее чем в два раза. Эки перемещения составляют для 9-балльного землетрясения около 15$ от максимальных статических и около 25% для 10-балльного землетрясения. Этот эффект имеет место вследствие того, что большая часть центральной зоны плотины, где привалирует шаровой тензор напряжений, притерпевает упрочнение и, следовательно, его деформации при неизменной по величине приращения нагрузки, уменьшаются. В приот-косных зонах больше развивается девиатор напряжений, что приводив к развитию сдвиговых эффектов на откосах, & со временем и к их возможному ополза-шю. В работе представлены эпюры горизонтальных и вертикальных перемещений в плотине, а также эпюри распределений коэффициентов надежности в ней после землетрясений разной интенсивности. Для выявления влияния числа учитыЬаешх 2СК на результаты решения задачи, были определены 30 ФСК для взршюнабросной плотика, часть из которых представлена на эпюрах в диссертационной работе. Такге дана сопос.аз*<.ния расчетных значений периодов собственных колебаний плотики, полученных различными методами и в том числе МЕЭ. Исследования влияния учета различного числа ССК та величины остаточшх перемещений в плотине попазазо, что это

кг

г 1

■1 -г

-J

Элемент А ч

лиг«

/I |1 I

ч '•гр Г>'\/ ' 5 6 7

| Г

I II 1

I I

[I У

и - 1500 м/с

V V Тху

Рис 1. Динамическая задача. Пульсация компонент напряжений в элементе А ' для 'задач при У->-оо (а) . и V ■> 1500 м/с (5;

О

а)

Н I 5(¡ян з«юр)

- 18 ' '^ХгЩазь \®1 ,— \« \ \ и ш *ы уи - -з,} -/с,г ФЙГ^Жгч*

1 ^ V \ г 1/ / V 1

'3,ба.е -з,!о.и -и ч.и

Рис. 2. Эпюры остаточных динамических перемещений, см

Л) вертикальных; б) горизонтальных: в) деформация контура плотнны, см; —--задача

при V -*■ оо;----при м/с.

влияние неоднозначно. Увеличение числа учитываемых ФСК с 10-ти до 30-ги приводит к увеличению остаточных перемещений в наибольшей степени в области верхового откоса и в пригрзбневой зоне, что имеет существенное значение, если в расчетах идет речь об устойчивости откосов. В центральной же области, увеличение числа ФСК приводит к меньшим остаточным деформациям. Результаты исследований представлены на рисунках и в таблицах.

•В работе проведено численное исследование влияния учета скорости распространения сейсмической волны на величины остаточных перемещений в плотине и на ее прочностное состояние. Еыли решены задачи со скоростью ■ 1500 м/с и 1?-+- <=-<= (что равносильно неучету "бегущей волны"), прежде всего учет "бегущей волны" сказывается в решении упругой динамической задачи. В работе представлены графики пульсаций компонент напряжений в точке для обеих задач (рис. I). Учет "бегущей волны" изменяет также картину остаточных перемещений в плотине (рис. 2). 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.

В последнем параграфе рассмотрена работоспособность плотины в условиях многократных сейсмических воздействий. Для исследования процесса накопления остаточных перемещений в плотике и изменения ее прочностного состояния в ходе многократных сейсмических воздействий были проведены расчеты, в которых многократное сейсмическое воздействие моделировалось гирляндой акселерограмм с максимальным горизонтальным ускорением 0,4 . Сейсмическое на-груйсение повторялось до тех пор, пока в плотине не появятся оО'-лаоти предельного состояния, грозящие ее устойчивости. Однако, проведенные расчеты показали чрезвычайно высокую устойчивость взрывонабросной плотины;даже после двенадцатого сейсмического воздействия ее устойчивость не вызывает сомнений, хотя области предельного состояния, появившиеся после десятого сейсмического воздействия, грозят разрыхлением материала в пригребневой зоне на глубине до 20 м (рис. 3). В работе также производится анализ нарастания остаточных перемещений в плотине в ходе многократного нагружения. Результаты расчетов представлены на рисунках.

В главе 4 проводится исследование устойчивости и прочности сверхвысокой, неоднородной каменно-земляной плотины высотой 340 м на сейсмическое воздействие разной интенсивности, состав-

Щ SS,О SU ie.081,0.12

Ж '0,1 9B.1 10,0

ÜJ> 56 j

Puc.3.

Лакаплеме остаточных перемещений и шмонание Кц 8 пло/щ/ие & результат^ M ног a;t/i о тн&х ¿¡ оздеис та uú 0,^/g а}-горело Hm ал ¡» H¿>ts /¡¿¿/рсгщенгм ? сн Sj-Sepm&xayriWi/e пр1//>а>.це//ш , ftv

К у В с/я 'УS c/foâ jaçae/£> 2) ~ Ktf поелй {- га

frocjiá В-го и 42 ~ го set-rjempficgHc

ленные в разной последовательности. Эти исследования позволяют прогнозировать развитие остаточных деформаций в плотине при различных вариантах сейсмических воздействий.

Правильная оценка работоспособности плотины во многом зависит от правильности назначения динамических характеристик грунтов. В работе дано сопоставление расчетных значений периодов и ФСК для задач, в которых использовались характеристики, соответствующе плотности укладки грунта и характеристики, соответствующие уплотненному грунту под действием вышележащей толщи. Результата представлены на рисунках и в таблицах. Использование характеристик укладки, не учитывающих изменения плотности грунта по высоте плотины дает сильно завышенные значения периодов соб-ственшх колебаний. При учете изменения Едан и ус по глубине плотины в соответствии с уплотнением грунта под действием собственного веса, значение периода основного снизилось до 1,14 с.

Влияние скорости распространения сейсмической волны на работоспособность сверхвысокой плотины рассматривалось на примере 9-балльного воздействия. Результаты расчетов показали, что учет "бегущей волны" дает существенное снижение величин остаточных перемещений в области верхового откоса, при этом происходит перераспределение перемещений вглубь каменной наброски и их гашение в ней. Максимальные остаточные перемещения подучены в средней части верхового откоса. Устойчивость верхового откоса при 9-балльном землетрясении может быть оценена интегральным коэффициентом запаса кривой обрушения, проходящей через области предельного состояния, в случае учета "бегущей волны" он больше, а поверхность обрушения расположена глубже в теле плотины.

Исследования процесса накопления остаточных перемещений в плотине при многократных сейсмических воздействиях позволяют оценить срок безаварийной эксплуатации сооружений. Расчеты показали, что рассматриваемая плотика может выдержать пять 9-балльшя землетрясений, после шестого землетрясения происходит слияние областей предельного состояния и образование поверхности обрусения, захватывающей гребень плотины и больпдтэ часть верхового откоса на глубину до 40 м (рис. 4). В то до время, в значительной массе плотины идут процессы упрочнения грунта, что хорошо видно на рис. 4 (тело упорных призм).

Расчеты грунтовых плотен, возводимых: в районах с побце«икоГ: сейсмической активностью долкш проводиться на гиряянвд сейсмических воздействий, составлениях согласно вероятности повторений

340.0

• посла f-го ногайцам/л 0.4g -после 3-го нагрияевшг С.Ц<1 - nocje _i»-î£> ь/агрулрены* О, f%

7/í JTÑ1 i^fiP^öSJuC'Ticfj

IY материала, j

S) OüfflúmofHi/ü 4t/Hai4u4è&<c/e /га wms/pe nsemt/Ktf f м

pvc. 4.

этих воздействий, а также последовательности сильных и слабых землетрясений. В работе показано, что величины остаточных перемещений в плотине зависят от того, с какого землетрясения (слабого или сильного) начинается расчет.Сильные землетрясения (9 баллов) вызывают появление областей предельного состояния и последующие , даже слабые воздействия, могут развивать эти области Слабые же воздействия (7 баллов),как правило, не формируют предельных областей,и более того,могут вызывать дополнительное уплотнение грунта и повышение его прочности (что не относится к областям с преимущественным развитием сдвиговых деформаций). Та> ким образом, прочностное состояние плотины оказывается тем хуже (слабее), чем с более сильного воздействия начинается расчетная гирлянда акселерограмм.

0СН0ВЩЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДИ

I. Оценка устойчивости грунтовых плотин после землетрясений производится по величине остаточных перемещений после каждого землетрясения и сравнению их с предельно допустимыми, что соответствует условию второго предельного состояния.

Оценка прочности материала тела плотины производится исходи из значений параметра К^ , характеризующего запас прочности материала по отношению к предельному, по его изменению в ходе многократных сейсмических нагружений и устойчивому приближению к единице.

Расчет грунтовых плотин на сейсмические воздействия,силой 9 баллов (0,4 ^ ), показал:

- для взрывонабросной плотины, высотой 60 ы, имеющей снльнс распластанный профиль, максимальные остаточные перемещения поел* землетрясения составили около 10 см, что составляет от максимальных статических перемещений; минимальный коэффициент запаса в плотине не превышает 3,0 и расположен в замкнутой области 1 центре плотины; результаты исследований говорят о высокой сейск! устойчивости плотины, что объясняется сильно распластанным проф; лем, который, в свою очередь, является следствием особенности е< возведения;

- для неоднородной, сверхвысокой (340 м), каменно-земяяной плотины были получены максимальные остаточные перемещения около 1,0 м, что составило около 25$ от максииальгах статических перемещений, т.к. профиль этой плотит значительно более обкат по

сравнение со взрывонабросной плотиной; минимальные значения коэффициентов запаса (около 1,6) после одного землетрясения расположены на поверхности верхового откоса и в переходных зонах ядра, где наблюдается также появление небольших зон предельного состояния, локализованных внутри материала.

2. Учет скорости распространения сейсмической волны в основании плоти») показал, что параметр« работоспособности сооружения в этом случае оказываются выше, чем при неучете эффекта "бегущей волны".

Колебательный процесс в плотине при учете "бегущей волны" характеризуется следующими особенностями:

- все компоненты напряжений внутри одного элемента колеб-Тпэтся в разных фазах и смещение фаз тем больше, чем меньше скорость распространения сейсмической волны; в задаче, не учитывающей "бегущую волну"» смещение фаз отсутствует;

- различные точки сооружения имеют пиковые значения перемещений в различные моменты времени, что уменьшает возможность вхождения плотиш в резонанс;

- максимальная реакция плотины на наиболее сильные сейсмические толчки наступает с некоторым запаздыванием, пиковые напряжения при этом оказываются меньшими, чем в задаче без учета "бегущей волны".

Статочные перемещения после решения задачи с учетом "бегущей волны" в среднем на меньше, чем в задаче без учетк "бегущей волны", хотя имеются области, чаще всего близкие к предельному состоянию, где перемещения для "бегущей волны" превышают перемещения, полученные без ее учета.

Образование областей предельного состояния при учете "бегущей волны" в сверхвысокой плотине происходит медленнее и их развитие вдет в направлении формирования криволинейной поверхности-обрушения, что хорошо отвечает данным напурных и оштшх наблюдений за деформациями плотин после сейсмических воздействий.Поверхности предельного состояния,полученные в задаче без учета "бегущей волны",как правило, располагаются непосредственно вдоль верхового откоса.

3. Увеличение числа учитывав®« фора собственных колебаний (§СК) показало:

- в бальаэЗ часта пготяаа, ярмгэ ее центральной частя,увели-

ченив величин остаточных перемещений, причем в наибольшей степени это относится к поверхностной части плотики,в среднем, остаточные перемещения увеличиваются на 8*-10£ при изменении расчетного числа с 10-ти до 30-ти;

- в центральной части плотины.увеличение числа ФСК приводит к меньшим значениям остаточных перемещений.

Таким образом, для особо ответственных сооружений, где имеется угроза устойчивости откосов или каких-либо элементов, расположенных вблизи поверхности, рекомендуется учитывать возможно большее число ФСК (до 30), для плотин, имеющих сильно распластанный профиль, достаточно, учитывать не более 10-ти ФСК.

4. Расчет на многоразовые сейсмические воздействия позволяет проследить процесс формирования и развития зон предельного состояния в плотине,ставящих под угрозу ее благополучную работоспособность.

При расчете чсильно распластанного профиля взрывонабросной плотины на многоразовые сейсмические воздействия интенсивностью 9 баллов (0,4 ^ ), было получено, что снижение коэффициентов надежности происходит в центральной'части плотины, где в ст&тическ условиях минимальный К^ составлял 5,4, после первого землетрясения уменьшился до 4,3, после восьмого землетрясения до 1,28,а после десятого - в этой области развиваются зоны предельного сос тояния грунта, которые не формирует поверхностей обрушения,грозя щих устойчивости откосов,но вызывают развитие деформаций разуплотнения грунта на глубину до 10+15 м.

Расчет сверхвысокой плотины с центральным наклонным ядром на многоразовые сейсмические воздействия 8 баллов, показал, что развитие зон предельного состояния грунта здесь происходит икач< чем во взрывонабросной плотине. Области с минимальными коэффицн' ентами надежности здесь располагаются вдоль верхового откоса, а также в верхней части переходных зон ядра с напорной стороны. Уже после первого землетрясения намечаются области вблизи ловер ности верхового откоса со сниженными коэффициенты«: надежности, при последующих кагругенияк эти области развиваются по направле нию к гребню плотины и вглубь каменной наброски верхового откос но слияние их в поверхность обрушения не происходит даже после пятого 8-балльного землетрясения. Расчеты на серка более силы® воздействий 9 баллов показали, что поверхность абруезкия,грозят устойчивости плотины,образуется только после шягого ■ Збалльного воздействия.

5. Расчеты на многократные сейсмические воздействия разной интенсивности показали, что величина суммарных остаточных перемещений в плотине зависит от последовательности слабых и сильных землетрясений. Для расчетной серии акселерограмм, начинающейся с более сильного воздействия, полные остаточные перемещения оказываются большими, чем для серии акселерограмм с той зад суммарной балльностью, но начинающейся с более слабого воздействия. Это объясняется тем, что сильные землетрясения вызывают появление зон предельного и близкого к нему состояния грунта, в которых при последующих даяе более слабых воздействиях вдет процесс снижения коэффициентов надежности и увеличения остаточных деформаций.

6.Представленная в работе методика расчета сейсмостойкости плотин позволяет оценить срок службы плотины, в течение которого она сохраняет свои (функции водоподпорного сооружения. К примеру, если ввести понятие о вероятности сейсмического воздействия, то сцонта. 1:зде£ности плотины высотой 340 м показала, что при вероятности сейсмического воздействия 9 баллов - 3 раз в 350 лет, срок безаварийной работы пяотиш составляет около 2000 лет,что явилось сроком службы многих плотин,'а такзе и культовых сооружения. остатки которых с дрегнеЭпих времен дошли до незих дней.

Основные положения диссертации изложены в следующих padotax:

1. гассказов Jl.H., Бестужева A.C..К вопросу сейсмостойкости грунтовых плотин.// Строительная механика и расчет сооружений , 1989, й 2.

3. Бзстулева A.C. Напряженно-деформированное состояние грунтовых плотин црн сейсмических воздействиях.// Известия ВНКИГ им.Б.S.Веденеева, 1989, т.212.

3. Рассказов Л.Н., Бестужева A.C. Расче.т устойчивости откосов на ЭВМ ЕС-ЮЗ3. // Методические указания, М., МИСй, 1988.

4. Рассказов Л.Н., Бестужева A.C. Сейсмостойкость грунтовых плотлн.// Гидротехническое строительство, 1992, № 2.