автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Статическая работа плотин из укатанного бетона с учетом ослабленных строительных швов

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ И ПРОБЛЕМЫ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ ПЛОТИН ИЗ УКАТАННОГО

БЕТОНА.

1.1. Некоторые сведения о строительстве плотин из укатанного бетона (УБ).

1.2. Особенности физико-механических свойств УБ.

1.3. Современные технологии строительства плотин из УБ.

1.4. Современные конструкции плотин из УБ.

1.5. Современные методы расчета НДС плотин из УБ.

1.6. Выводы по главе. Цель и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УБ.

2.1. Укатанный бетон как строительный материал.

2.2. Деформируемость и прочность УБ.

2.3. Ползучесть УБ.

2.4. Теплофизические свойства УБ.

2.5. Водопроницаемость УБ.

Актуальность темы диссертации. В настоящее время во многих странах мира установилась тенденция строительства плотин из укатанного бетона (УБ), отличающегося низким содержанием цемента, высоким содержанием пуццоланы (золы уноса) и крупнозернистых фракций (гравия). Технология строительства плотин из УБ проста, что позволяет строить плотины высокими тепами, сопоставимыми с темпами строи 1ельства грушовых плотин.

Все это делает строительство плотин из УБ экономичным, технологичным и конкурентоспособным. Вместе с тем это определяет необходимость углубленного и всестороннего изучения их напряженно-деформированного состояния (НДС), в том числе, устойчивости и прочности в отдельных частях. Для этой цели широко применяются методы физического и математического моделирования, в том числе, метод конечных элементов (МКЭ). Это особенно актуально в связи с тем, что УБ является новым строительным материалом, механические свойства которого изучены сравнительно мало. Математическое моделирование НДС (МКЭ) в решении этих проблем должны занимать доминирующее положение, как наиболее экономичные и эффективные.

Цель и задачи диссертационной работы. Целью диссертационной работы является изучение и совершенствование методов математического (численного) моделирования НДС плотин из УБ с учетом ослабленной зоны, обусловленная низкими механическими свойствами слоев УБ и швов между ними для установления закономерностей формирования и трансформации НДС системы сооружение-основание и выявления механизма разрушения ослабленной зоны и устойчивости плотины в целом.

Для достижения этой цели ставились и решались ряд задач по оценке НДС системы сооружение-основание МКЭ и анализировались результат решений этих задач, с учетом особенностей влияния различных факторов.

Основные задачи исследований. Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- анализ современного состояния строительства плотин из УБ и возникающие в связи с этим проблемы;

- обзор существующих методов изучения и описания физико-механических свойств УБ, в том числе на основе моделей упруго-пластических сред;

-обоснование и выбор расчетной схемы взаимодействия системы плотина-основание с учетом ослабленной зоны в плотине;

- обоснование и выбор расчетной упруго-пластической модели УБ, слоев УБ и швов между слоями на основе теории прочности Мора-Кулона;

- обоснование и выбор расчетных характеристик упруго-пластической модели У Б и швов;

- обоснование и выбор метода математического моделирования НДС системы плотина-основание, т.е. МКЭ;

- постановка и решение задач по количественной оценке НДС системы плотина-основание с учетом ослабленной зоны в плотине;

- анализ результатов математического моделирования НДС с системы плотина-основание, составление рекомендаций для использования результатов исследований в практике.

Научная новизна работы

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Для описания механических свойств УБ использована модель упруго-пластической среды, основанная на теории прочности Мора-Кулона. Показано, что для сред, обладающих различным сопротивлением на сжатие и на растяжение, целесообразно использовать теорию прочности Мора-Кулона.

2. Поставлены и решены ряд задач по количественной оценке НДС плотины из УБ с учетом ослабленной зоны и другими факторами, в том числе: изменчивости свойств УБ в процессе нагружения, контактных элементов между слоями, дилатансии и др.

3. Выявлен механизм формирования и трансформирования НДС в плотине из УБ с учетом ослабленной зоны, в том числе механизм раскрытия швов между слоями УБ и разрушения слабого слоя.

4. Показано, что наличие слабою слоя в плотине локализует процесс разрушения внутри этого слоя и он не распространяется в соседние слои.

5. Показана возможность количественной оценки НДС системы плотина-основание на всех этапах нагружения, т.е. возможность одним расчетом дать оценку состояния плотины по двум группам предельных состояний.

Практическое значение работы.

Практическое значение работы заключается в том, что полученные результаты исследований позволяют:

- повысить достоверность и точность количественной оценки НДС системы плотина-основание с учетом ослабленной зоны, в том числе механизма раскрытия трещин и разрушения;

- учитывать влияние различных факторов на НДС системы плотина-основание, в том числе: особенности свойств слоев УБ и швов между ними, изменчивость этих свойств в процессе нагружения, дилатансии и др.

- разработать экономически эффективные конструкции плотин из УБ, в том числе комбинированные.

Реализация работы. Результаты выполненных работ будут использованы в НИР кафедры МГСУ, а также автором диссертационной работы в своей научной и практической деятельности в Армении.

На защиту выносятся

Результаты теоретических исследований НДС системы плотина-основание с учетом ослабленной зоны, в том числе:

- постановка и решение задач по количественной оценке НДС системы плотина-основание с учетом различных особенностей строения и свойств УБ в ослабленной зоне;

- анализ результатов математического моделирования НДС системы плотина-основание с учетом различных факторов.

Диссертационная работа выполнена на кафедре гидротехнических сооружений МГСУ в период обучения в аспирантуре в 2003-2006 годах.

Автор выражает искреннюю бла1 одарность своему научному руководителю, доценту, кандидату технических наук Толстикову В.В. за постоянное внимание и большую помощь при выполнении настоящей диссертационной работы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. В настоящее время строительство плотин из УБ развивается высокими темпами, что определяет необходимость углубленного и всестороннего изучения их НДС, в том числе устойчивости и прочности в отдельных частях.

2. Математическое моделирование НДС системы плотина-основание численным методом (МКЭ), является эффективным и экономичным по сравнению с физическими методами моделирования.

3. Физико-механические свойства укатанною бетона существенно зависят от его состава, количества вяжущих и могут меняться в широких пределах. Это позволяет проектировать различные конструкции плотин, в том числе гравитационных, арочных и комбинированных.

4. Упруго-пластическая модель, построенная на основе теории прочности Кулона-Мора в достаточной степени точности описывае! механические свойства УБ.

5. Ослабленная зона в плотинах из УБ, состоящая из слоев УБ и швов между ними оказывает сущес! венное влияние на НДС плотин в процессе возрастания гидростатической нагрузки вплоть до ее разрушения.

6. Разрушение плотин из УБ с ослабленной зоной происходит вследствие возникновения растягивающих напряжений со стороны верхнего бьефа и раскрытия швов между слоями. По мере роста нагрузки концентрация точек пластического течения смещается в сторону нижнего бьефа и локализуется в ослабленной зоне.

7. Учет переменности прочностных свойств разупрочнения УБ в процессе нагружения плотины приводит к росту интенсивного разрушения плотины.

8 Устройство зонирования плотины из УБ и в частности противофильт-рационного элемента из обычного вибрируемого бетона существенно повышает устойчивость плогипы в целом, и снижает вероятность получения трещин между слоями из УБ.

9. Коэффициенты устойчивости рассчитаны на основе формулы плоского сдвига и по результатам расчета НДС МКЭ не всегда совпадают, что свидетельс1вует о сложном механизме разрушения плотин с горизонтальными швами.

10.Устройство обратного наклона швов в плотине из УБ до 6° (10%) не оказывает существенного влияния на коэффициент устойчивости плотины, что обусловлено особым механизмом разрушения ослабленной зоны.

11.Учет дилатансии в слоях УБ и швах между иими приводит к существенному изменению коэффициента устойчивости плотин из УБ.

12.Противофильтрационный элемент в плотинах из УБ оказывает существенное влияние на НДС плотины, в том числе на механизм ею разрушения.

1. Александровский C.B. Расчет бетонных и железобетонных конструкций на температурные и влажностные воздействия (с учетом ползучести). -М: Стройиздат, 1966.

2. Александровский C.B., Багрий В.Я. Ползучесть бетона при периодических воздействиях. М: Сфойиздат, 1970.

3. Александровский C.B., Попкова О.М. 11елинейные деформации бетона при сложных режимах нагружения. Бетон и железобетон. № 1, 1971.

4. Александровский СВ. Расчет бетонных и железобетонных конструкций на изменения температуры и влажности с учетом ползучести. Изд. 2-ое переработанное и дополненное, М: Стройиздат, 1973.

5. Анискин H.A., Кириллов Ю.В. Применение локально-вариационного метода конечных элемешов в решении задач теории упругости. Изв. ВУЗов, сер. «Строительство и архитектура», 1986, № 7.

6. Антипов A.A. Напряженно-деформированное состояние горного массива вокруг подземных машинных залов ГЭС /с учетом поэтапности их разработки, трещиноватости пород и фактора времени/. Диссертация на соискание ученой степени канд.техн.наук, М., 1988, 213 с.

7. Антонов С.С, Коган J1.E. Исследования напряженного состояния плотины Саяно-Шушенской ГЭС. Л.: Энергия, Известия ВНИИГ, 1971,т. 96, с 211-220.

8. Антонов С.С, Коган J1.E., Корсакова J1.B. Оценка напряженного состояния арочной плотины. Материалы конференций и совещаний по гидротехнике, J1: Энергоатомиздат, 1987, с. 20-24.

9. Арутюнян Н.Х., Александровский C.B. Современное состояние развития теории ползучести бетона. В сб. «Ползучесть и усадка бетона и железобетонных конструкций. Состояние проблемы и перспективы развития». - М.: Стройиздат, 1976, с. 5-96.

10. Бердичевский Г.Ю., Бронштейн В.И., Мгалобелов Ю.Б. и др. Двухароч-ная плотина некоторые особенности статической работы.

11. Зерцалов М.Г. Инженерная модель деформирования и разрушения горных пород и бетонов в условиях сжатия (после начала микротрещино-образования) М.: Гидротехническое строительство, № 4, 1990, с. 3337.

12. Берг О.Я., Соломенцев Г.Г. Исследование напряженного и деформированного состояния бетона при трехосном сжатии. В кн. Исследование деформаций, прочности и устойчивости беюна транспортных сооружений. Тр. ЦНИИС, М.: Транспорт, 1969, № 70.

13. Бердичевский Г.Ю., Бронштейн В.И., Мгалобелов Ю.Б. и др. Двухароч-ная плотина некоторые особенности статической работы

14. Бронштейн В.И. Укатанный бетон составы и свойства, технология применения. - Энергетическое строительство, № 2, 1984, с. 22-29.

15. Гениев Г.А., Киссюк В.Н., Тюпин Г.А. Теория пластичности бетона и железобетон М.: Стройиздат, 1974, 316 с.

16. Гинзбург Ц Г. Определение коэффициента теплопроводности бетона. -Известия ВНИИГ, т. 47, 1952.

17. ГОСТ 24452-80. Бетоны Методы определения призменной прочности, модуля упругости и коэффициента Пуассона. - М.: Издательство стандартов, 1981.

18. ГОСТ 10180-78*. Бетоны. Методы определения прочности на сжатие и растяжение. М.: Издательство стандартов, 1985.

19. ГОСТ 26633-91. Бетоны тяжелые и мелкозернистые. Технические условия. М: Издательство стандартов, 1986.

20. Гудман Р. Механика скальных пород. М.; Стройиздаг, 1987, 232 с.

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

22. Зенкевич О.С, Морган И. Конечные элементы и аппроксимация. -М.: Мир, 1986,318 с.

23. Зерцалов М.Г., Иванов В.А., Степанова JI.C, Толстиков В.В. Исследование разрушения системы ипамп-основание в условиях сдвига с использованием МКЭ. Межвузовский сб. Приложение численных методов к задачам геомеханики, М.: 1986, с. 49-61.

24. Зерцалов М.Г. Инженерная модель деформирования и разрушения горных пород и бетонов в условиях сжатия (до начала микротрещино-образования). М.: Гидротехническое строительство, № 3, 1990, с. 2227

25. Зерцалов М.Г. Инженерная модель деформирования и разрушения горных пород и бетонов в условиях сжатия (после начала микрогрещино-образования) М.: Гидротехническое строительство, № 4, 1990, с. 3337.

26. Зерцалов М.Г., Толстиков В.В. Учет упруго-пластической работы бетонных плотин и скальных оснований в расчетах с использованием

27. Зерцалов М.Г. Инженерная модель деформирования и разрушения горных пород и бетонов в условиях сжатия (стадия разупрочнения). М.:

28. Кириллов А.П., Коган Е.А., Ульянова Е.А. Прочность бетонных массивных сооружений по горизонтальным строительным швам. Обзорная информация, серия 2 «Гидроэлектростанции», вып. 2, М.: Информ-энерго, 1987, 60 с.

29. Коган Е.А., Ульянова Е.А. К вопросу о прочности на сдвиг по горизонтальным блочным швам в бетонных плотинах. Сб. научных трудов Гидропроекта, вып. 123, М.: Гидропроект, 1987, с. 137-144.

30. Koi ан Е.А., Мгалобелов Ю.Б., Ульянова Е.А. Конструкции плотин из укатанного бетона. Энергетическое строительство, № 1, 1988, с. 3-7.

31. Коган Е.А., Ульянова Е.А. Конструкции плотин из укатанного бетона. -Обзорная информация, серия «Гидроэлектростанции», вып. 3, М.: Ин-формэнерго, 1990, 56 с.

32. Коган Е А., Соломатина Л.С. Экспериментальные исследования прочности на сдвиг по строительным швам в обычном и укатанном бетонах. Энергетическое строительство, № 1, 1991, с. 45-47.

33. Коган Е.А. Ползучесть укатанного бетона. Гидро1ехническое строительство, № 3, 1991, с. 32-35.

34. Коган Е.А. Строительство плотин из укатанного бетона. Анализ состояния и перспективы развития. Гидротехническое строительство, № 5, 2000, с. 30-40.

35. Коган Е.А. Плотины из укатанного бетона. Анализ зарубежных данных о трещинообразовании и рекомендации по обеспечению термической трещиностойкости. Научно-технический и производственный сборник

36. Безопасность энергетических сооружений», Вып. 6, АО «НИИЭС», М.: 2000, с. 157-183.

37. Ляпичев Ю.П. Проектирование современных высоких плотин. М., изд. РУДН, 273 с.

38. Ляпичев Ю.П.Новые конструкции плотин из укатанного бетона и камня. Проблемы теории и практики в инженерных исследованиях: Сб. научн. трудов. M.: АСВ, 1998, с. 39-43.

39. МарчукАН Статическая paöoia бсюпных плотин M Энерюи}да1, 19X3, 241 с

40. М1алобелов Ю Б Прочность и усюйчивость скальных оснований беюнных плотин -М Энерия, 1979,216 с

41. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. М.: Изд-во иностранной литературы, т. 1, 1954, 635 с. т. II изд Мир, М., 1969, 857 с.

42. Орехов В.Г. Напряженное состояние, прочность и устойчивость бетонных плотин на скальном основании. Диссертация на соискание ученой степени докт. техн. наук МИСИ им. В.В. Куйбышева, М., 1982.

43. Орехов В.Г. Расчет несущей способности бетонных плотин на скальных основаниях. Материалы конференций и совещаний гидротехнике, Л.: Энергоатомиздат, 1984, с. 42-49.

44. Орехов В.Г., Захаров В.Ф., Зерцалов М.Г., Толстиков В.В., Шимельмиц Г.И Напряженно-деформированное состояние плотины Бурейской ГЭС с учетом очередности ее возведения. Материалы

45. СНиП 2.06.06-85, Плотины бетонные и железобетонные М.: Стройиз-дат, 1986,37 с.

46. СНиП 2.06.06-85. Плотины бетонные и железобетонные. М.: ЦИГ1Т Госстроя СССР, 1986.

47. СНиП 2.06.08-87. Бетонные и железобетонные конструкции гидротехнических сооружений. М.: Стройиздат, 1987.

48. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: «Наука», 1975.

49. Толкачев Л.А., Судаков В.Б. Токтогульский метод бетонирования массивных сооружений. М.: Энергия, 1973,

50. Фадеев А.Б. Метод конечных элементов в геомеханике. М.: Недра. 1987, 221 с.

51. Гаспарян А.П. Напряженно-деформированное состояние плотины из укатанного бетона с учетом переменной прочности ослабленной зоны, ж. Естественные и технические науки, № 3, 2006, с.252-259

52. Статическая работа плотины из укатанного бетона с учетом ослабленной зоны с горизонтальными швами, ж. Естественные и технические науки, № 3, 2006, с.260-268

53. Andriolo R.F. RCC properties. Proceeding international Symposium

54. Roller Compacted Concrete Dams», vol.1. Santander, Spain, October 1995.

55. Finite Elements in Geomechanics / G.Gudehus ed. Chichester John1. Wilev&Sons, 1977,574 p.