автореферат диссертации по строительству, 05.23.07, диссертация на тему:Влияние неравномерности распределения напряжений на сдвиговую прочность бетонных плотин на скальных основаниях

кандидата технических наук
Гума Мухаммед Али
город
Москва
год
1994
специальность ВАК РФ
05.23.07
Автореферат по строительству на тему «Влияние неравномерности распределения напряжений на сдвиговую прочность бетонных плотин на скальных основаниях»

Автореферат диссертации по теме "Влияние неравномерности распределения напряжений на сдвиговую прочность бетонных плотин на скальных основаниях"

^ МСК2ШВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукогтасп

\>ч %

ГУМА МУХАШЕД АЛЯ

ВЛИЯНИЕ НЕРАЕНО'ДЕНЮСТИ РАСПРЕЩШШЯ НАПКШШШ НА СДВИГОВУЮ ПРОЧНОСТЬ БЕТОННЫХ ШШШ НА скллышх ОСНОВАНИЯХ

Специальность 05.23.07 - Гидротэюшчасксо и молиорагивное строитольотво

АВТОРЕФЕРАТ

диссэртации па оояскшшэ учзнсй сгэпоня кандвдата "готических наук

Москва - 1994

Работа выполнена в Московском Государственном строительном университете.

Научный руководитель - Доктор технических наук, профессор

В.Г.Орехов

Официальные оппоненты: - Доктор технических наук, профессор

М.Г.Зерцалов - Кандидат технических наук, доцент . В.А.Земнюков

Ведущая организация - Научно-исследовательский институт

энергетических сооружений (г.Москва)

Защита диссертации состоится " /¿Р " ОК/УЯ^Ц 1994 г.

в и/Г и час, на заседании диссертационного совета Д 053.11.04 в Московском Государственном строительном университете по адресу: Москва, Спартаковская ул.д.2,ауд. V-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГСУ.

Просим Вас принять участие в защите диссертации и направить Ваш отзыв на автореферат по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, д.26, МГСУ. Ученый совет.

Автореферат разослан "¿З " 1994 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н.Н.Аршеневский

ОБЩАЯ ХАРАКТШСТИКА РАБОТЫ

. Актуальность темы. В последнее время во всем мире и в странах СНГ проектируют и строят высоконапорные гидротехнические сооружения. В гидротехническом строительстве Афганистана тоги имеются тенденции к строительству бетонных гравитационных плоте». К втому числу плотин относится и плотина Наглу, высотой 103 м > построенная в Афганистане, в 1967 г. •

: Дальнейшее распространение этих плотин связано с повалена» ем их экономичности, что может быть достигнуто обжатием профиля плотины, упрощением производства работ при применении малоца — ыантного укатанного бетона и др. ; ■ • .Среди направлений,"связанных с повышением экономичности бетонных плотин, важную роль играет уточнение сдвиговой прочности сооружений, расчеты которой, особенно при слабых скальных основаниях, по существу, определяют размеры сооружения и его объем.

Значительная часть исследований по определению сдвиговой прочности скального основания базируется на результатах полевых ытамповых опытов и использования зависимости Кулона-Мора, которая описывает сдвиговую прочность от действующего по пловдщо сдвига нормального напряжения £ в виде {Г„р = / ( 6" К В дальнейшем указанная зависимость распространяется на расчет устойчивости сооружения против сдвига без учета реального, часто весьма неравномерного характера распределения напряжений по подошва Сооружения.

Многочисленные исследования ряда авторов по сдвигу штам -пов как в полевых условиях, так а на моделях, показывают, в частности, что сдвиговая прочность штампа существенно зависит от величины момента действующих сил. Поэтому при построении интегральной оценки прочности контактного сечения плотины с основанием необходимо учитывать действие всех факторов, влияющих на прочность контакта.

Развитие в последний годы механика разрушений, основанной на теории распространения трещин, открцваот благоприятные возможности для раскрытия механизма разрушения, создания соотгэт-ствувдой теории прочности натернала и оценки несущей способности сооружений.

Цель диссертации состоит а исследовании влшш неравно-

мерности распределения напряжений на сдвяговувярочиосеь бетонш плотин на скальных основаниях. ; ' ' ■

В связи с этим в диссертации поставлены следующие задача:

- экспериментальное изучение на моделях штампов влияния ыомвитной составляющей нагрузки на их сдвиговую прочность;

- построение факторной зависимости вида я ¿(С, лС) на основе применения научного планирования эксперимента и статистической обработки результатов модельных исследований; 7

- построение приближенной математической модели сдвига, позволяющей с помощью механики разрушения дополнительно уточнить влияние на сдвиговую прочность штампа фактора размера итампа £ или ореднего градиента нормальных напряжений ^ , т.е. исследовать зависимость вида Тар = {( £ ) ; ;

- проанализировать возможность повышения вкономячиооти сооружения за счет формирования благоприятного характера распределения нормальных напряжений по подошве сооружения, праводшда-го к повышению его 'сдвиговое прочности.

Научная новизна диссертационной работы заключается в след-дующем:

1) в экспериментальном подтверадении общественного влияния неравномерности распредэяэнвд нормальных напряжений по подшво штшпа на его сдвиговую прочность;

2). в установлении количестваикоЗ шваишостн сдвиговой прочности скааыгого основания Тщр от факторов, характеризующих вергшадерность расародэлензя нормальных напряхзний по плоское«, »в едавга ¿С) ;

3) £ уючнашт шш па сдваговую прочность штампа допол-нагельного фактора в вадо размера штампа шш среднего грзднанга норкальнах напрядший по вдш агата;

4) в открдаик нового направления в пошгошга еконошчноста сооружения оа счет форшхроваига бдагоярззтюго характера распре, даяшшя норкаашк напряжений го подозвз сооцуяэгшя, пряяодят-го к возшешш ого сдвиговой прочности.

На аатшт анпосяш»

1. Эйсааршантальное обоснованно влияния неравномерности |всараабйзщя нормальных напряжений по плоскости сдвага ка сдв» гаву» прочность скального основания.

2. Построение факторной зависимости сдвиговой прочности со швашш £ ( лС ) ь салучошюй на гипсовых моделях

штампа в диапазоне изменения величин у » 0,957 0,485 я С « 0,543 ♦ 0,272 МПа.

3. Анализ повышения вкономичности сооружения за счет фор» ыирования благоприятного характера распределения нормальных на» пряжений по подошве сооружение.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывалиоь на кафедре "Гидротехнические сооружения" МГСУ и опубликованы в Сборнике научных трудов Гидропроекта, вып.68 "Скальные основания гидротехнических оооруаэ -ний\ М., 1980.

Объем работы, ¿иооерташм состоит из введения, четырех глав и общих выводов, имеет объем 320 страниц машинописного тек» ста, содержит 61 риоунок, 42 таблицы, 171 наименование использованной литературы.

Г СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ .

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, кратко изложено оостояние вопроса и намечены пути решения поставленных в диссертации задач. -

В первой главе приводится обзор работ, связанных с изучением скальных оснований гидротехнических сооружений, исследованием работы бетонных плотин на скальных основаниях, расчетом Их напряженного состояния, прочности и устойчивости. Указанным вопросам посвящена работы Евдокимова П.Д., Сапэгина Д.Д., Роза С.А., Тиздели P.P., Зеленокого Б.Д., Ухова С.Б., Бурлакова В.Н., Фрвда С.А., Баславского И.А., Фишмана Ю.А., Мгалобелова Ю.Б., Шйробокова Е.И., Бобинского Э.С. и др.

Разрушение и прочность любого материала, в том числе а скального массива в естественном залегании, определяется в конечном итоге его напряженным состоянием. Характер разрушения при проведении полевых исследований с прибэтснированными штампами или скальными целиками обычно представляется следующим образом. В начале опыта при развитая малых касательных напряжений в исследуемой зоне бетонный блок (цели:) работает совместно с основанием, причем ни визуально, ни приборами на фиксируется об-* разование трещин} затем появляются первые трещины, начинаема от рыв. блока от основания со стороны приложения сдвагащой на ■» грузки, и, наконец, начинается процесс достаточно быстрого развития трещин, образование новых и сдвиг блока по основанию о

последовательным упором во вновь образованные при этом неров -нооти. Образовавшаяся поверхность разрушения может проходить как. по бетону, так и по скале или по контакту бетона со скалой при этом практически никогда не имеет место простое скольжение без. разрушения материала контактной зоны. • ;■

Очевидно, что каждая ступень загружения вызывает в скальном' массиве соответствующее напряженное состояние. Критическая вргрузка, приводящая к разрушению основания, вызывает напряжен Ное состояние, которое и может служить критерием прочности. Пр етом. напряженное состояние принимается как осредненное для конечного объема или площади, Поскольку сдвиг может происходить' при< сжимающих нормальных напряжениях по подошве сооружения OJ. Фрид-предложил в качестве критерия прочности при сдвиге величи ну. главных растягивающих напряжений (первая теория-прочности материалов). В результате обработки данных опытов по сдвигу штампов, на гранитах створа Красноярской ГЭС и прочных сланцев Biстворе Саяно-ШушенскоЯ ГЭС С.А.Фрадом были получены устойчива« значения критических величин главных растягивающих наяряже ниЭ 1,2 +1,5 МПа при прочности контакта на разрыв около 2 МГ Некоторое расхождение в указанных величинах объяснялось конце* трацией напряжений вследствие неровности контакта и разности i жесткости бетона и скалы. ; '

Нарушение прочности контакта между сооружением и скалы«® основанием ыожет происходить в условиях сложных напряженных сс отошшй, чаща при наличии зоны растяжение-сжатие. Исследованш Е.И.Широбокова показали, что этой области нагружения в больше! степени соответствует вторая теория прочности хрупких материалов..

Пошггют использования указанных теорий прочности в рамка: ¿^номенологических подходов нэ получили практического распро • охранения,, так как разрушение при сдвиге в основном можно объя' ндть (в- рамках феноменологического, подхода) действием касател: них напряжений, используемых в теории прочности Кулона-Мора. ] дрстатиом/применения зависимости Кулона-Мора f Znp - Styf+z) Иючет^у,- прочности- сооружения заключается лишь в том, что пред. жешая^ш^ теордя. прочности материала при однородном поле над хониодо-. состоявши (• && const), указанная зависимость не учи ваогг нейэднемврного. характера распределения напряжений по ко» тдкэд плотины с основанием. Поэтому указанная зависимость,, пр

менительно к расчету сдвиговой прочности реального сооружения, должна быть уточнена с учетом действия всех факторов, характеризующих напряженное состояние сооружения по плоскости сдвига. К таким факторам, помимо среднего значения нормальных: напряжений, учитываемого в применяемой зависимости Кулона-Мора, можно отнести величину момэнтной .составляющей напряжений Дб" или среднего градиента напряжений (где - разшр сооружения по плоскости сдвига, а также , учитыващей криволинейность эшоры нормальных напряжений, зависящей в основном от соотношения деформативности сооружения и основания ¿г . Последний фактор, однако, воспроизводится при проведении штамповых опытов в натурных условиях и, следовательно, учитывается в результатах опытов, по которым определяются параметры сдвиговой прочности.

В последнее время получила значительное развитие моханика разрушения, с помощью которой раскрывается механизм разрушения при образовании трещины нормального отрыва пли трещины обобщенного нормального отрыва. Однако применительно к разрушению при сдвиге (трещины продольного сдвига) вопрро не достаточно изучен. Обзор работ по механике разрушения приведен в третьей главе.

Изложенный в первой главе анализ работ, посвященный исследованиям сдвиговой прочности сооружений, позволил сформулиро -вать цель и задачи исследований данной диссертации.

Во второй глава излокзны экспериментальные модельные исследования .по изучению влияния различных факторов на сдвиговую прочность штампа. Опыты ставились в рамках метода научного планирования эксперимента для получения факторной зависимости вида Тир _ /V

г

где <-0 _ характерная сдвиговая прочность материала, получаемая по данным опытов при &•=&„, # = ч м = .

В качестве характерной сдвиговой прочности материала принималось значение величины в центре.области эксперимента.

В этом случае зависимость ( I ) может бить записана в виде _ // . 6"-£"» • л-В0 . ) I о \

„ "Т. ~ м ~ ~~сГ' 7' к '

где /С , б" и м - соответственно прочность материала, среднэо значение нормальных напряжений и момент действующих сил.

Экспериментальное изучение приведенной зависимости выполнялось в предположении справедливости линейной математической

Р( 6" & , м \

" г1 ~Т0 > —в ; ' ( 1 )

- а -

модели, для которой уравнение регрессии имеет вид:

у= + + ¿., ъъг+ЪЪЪ+ад/ 3 )

где: У - значение величины . (функция отклика);

- кодированные значения изучаемых факторов} % - коэффициенты уравнения регрессии.

Опыты ставились по полнофакторному эксперименту, матраца планирования которой и результаты опытов представлены в табл.1.

Таблиц» I

Номер опыта Повторные опыты Средние значения Значения по уравнению регрессии

ъ Л ЭЬз У у' 1 9 У

I +1 -I -I -I 0,7923 0,6369 0,5924 0,6739 0,6379

2 +1 +1 -I 0,9910 0,9483 - 0,9546 1,0191

3 +1 «I +1 -I 0,6460 0,8281 0,6695 0,7145 0,6379

4 +1 +1 «Л -I 0,9752 0,9985 0,9397 0,9711 1,0191

5 +1 -I +1 1,1034 1,0219 0,8286 0,9846 1»0745

6 +1 +1 -I +1 1,2984 1,6143 1,7031 1,5386 1,4557

7 +1 -I. +1 +1 1,0923 1,1275 0,9397 1,0532 1,0745

8 +1 +1 +1 +1 1,3743 1,5939 1,5030 1,4837 1,4557

0 0 0 0 1,0350 0,9825 0,9825 1.0

Исследования выполнялись на моделях, иэготоаланках ш основа гипсового вяжущего, в специально запроектированной уставов, ке. Модель штампа имела размеры 100x80x40 юц размера основания составляли 430x240x40 ым. По нижнему в правому контуру модели основания осуществлялось её жесткое- защемдэнш. Модель штампа имела выдвинутый носок с помощью которого осущаствдшаоь безмомеитноа приложение сдвигающей нагрузки 61 , Моазантная составляющая нагрузки обеспечивалась эксцентричный пршюаанЕегл вертикальной нагрузки Р . Модель основания изготавливалась не более прочного материала, чем штамп, для получешш разрушения по схема плоского сдвига.

Подобная схема приложения нагрузок и характер разрушений позволили обеспечить неизменность задашшх хкшпон изучаемых фа торов при проведения эксперимента.

Нагрузка на модель штампа осуществлялась о помощью домкратов и тяг. Модель штампа в характерных ее точках оборудовалась индикаторами часового типа. Физико-механические характеристики материала модели штампа определялись испытаниями на образцах. Опыты проводились по следующей методике. Модель загружалась вертикальной нагрузкой о эксцентриситетом относительно центра сечения подошвы штампа, что обеспечивало заданное значения факторов в и • после чего проводилась загрузка штампа сдвигающей силой, величина которой повышалась ступенями до момента сдвига втампа.

Основные опыты выполнялись для двух уровней (верхнего и нижнего) изучаемых факторов. Дополнительные опыты ставилзоь в центре области планирования эксперимента. Выполнялась трехкратная повторность опытов. Уровни варьирования факторов приведены в табл.2. Таблица 2

Уровни Кодиро- Значения величин факторов

ванное значение . 6, НПО. кМ' • t» Л. мпл ■V» » М, и • са' г.

рхний +1 0,8 +0,256 2,9 +0,3839 +48 +0,1536

нов-й 0 0,6 0 2,6 0 0 0

жний -I 0,4 -0,256 2,3 -0,3839' -48 -0,1536

Примечание: I) положительное направление момента вызывает

сжатие верховой грани штампа} 2) по данным опытов V, =» 0,7814 Ша. По результатам опытов построена математическая модель и уравнение регрессии подвергнуто статистическому анализу:

- определение дисперсии в отдальних точках плана;

- проверка гипотезы об однородности дисперсии}

- определение дисперсии воспроизводимости

- определение коэффициентов уравнения рагроссю! а их дисперсии; •

- проверка значимости коэффициентов;

- проверка адекватности математической модели. Уровень значимости коэффициентов равен

/ё)! = 0,0507.

Значения коэффициентов уравнения регрессии приведены в табл.3.

Таблица 3

к С 4 6» 4

1,0468 0,1906 0,0089 0,2183 -0,0116 -0,0054 -0,0669 -0,0124

Исключая малозначимые коэффициенты, получаем уравнение регрессии в кодированных величинах факторов в следующем виде:

У = 1,0468 + 0,1906а; + 0,2183а:3 ± 0,0507 . ( 4 )

На основании выполненных исследований в рассмотренном диапазоне варьирования факторов можно сделать следующие выводы:

1) плоский сдвиг по контакту штампа с основанием удовлетворительно описывается линейной математической моделью;

2) наиболее значимым фактором при сдвиге штампа является фактор я, = , который учитывает величину моментной со-

бА'Со .

ставляпцей эпюр! нормальных напряжений дь у граней штампа;

коэффициент Ёз при указанном факторе более значим по сравнению о коэффициентом ¿1 , при факторе » ¿ф- , учитывающим величину среднего нормального напряжения по подошве штампа;

3) фактор оказался малозначикым ( и не вошел

...

в уравнение регрессии) вследствие практически линейной зависимое ти между прочностью материала на сжатие и его сдвиговой прочност

Таким образом выполненные исследования показали, что ис -пользуемая в настоящее время зависимость Кулона-Мора при расчетах сооружения на сдвиг является приближенной и не учитывает всех факторов, определяющих его сдвиговую прочность.

Уравнение регрессии в натуральных величинах факторов имеет ввд иР = Г0 4 Ю + ¿,42 С 5 )

л- м

или учитывая, что ль= , получим

г; + + • )

В общем ввде даишую зависимость мсшю представить в виде

Ся = ге * а. (е-- е.) + й О • (7)

Нетрудно показать, что при дб"=

; г; = . ' ( в >

где парамотра , и соответственно 2Г могут быть но-

лучшш из основных опытов по сдвигу штампа. Из дополнительных ттамповых опытов при -ф можно получить

, г/, - гД . % (э )

л^-Л«1, л 6; - л£г

В выполненных экспериментах на гипсовых штампах диапазон изменения параметров указан в табл.4.

Таблида 4

я., ^ - 0,72 Ша А£2 = 0,72 Ша /

МП«. МПа. чъ Су > А/Я1 Сг , Мь.

2,9 2,3 0,8716 0,6912 0,938 0,957 0,543 0,298 0,559 0,485 0,399 0,272 0,258 0,215

Средние значения величин для центра эксперимента составили а. = = 0.74; С, = 0,38} & =0,24.

Таким образом, полученные значения коэффициентов о. и & могут считаться справедливыми для диапазона изменения параметров = 0,957 * 0,485; С = ( 0,543 * 0,272 ) МПа.

Выполнено сравнение расчетов по факторной зависимости ( 6 ) с имеющимися данными натурных исследований по сдвигу штампов в створе Курпсайской ГЭС и в створе плотины водохранилища на р.Томи, в которых сдвигающая нагрузка прикладывалась н штампу с некоторым эксцентриситетом.

Указанное сравнение дало удовлетворительное совпадение расчетов с опытными данными, что подтвердило возможность практического применения зависимости ( В ) в исследованном диапазоне изменения факторов.

В третьей главе, приводятся результаты матекатического моделирования сдвига штампа на основе применения мэхааявп разру -иония.

Представленный в главе сбэор исследований по механика разрушения, вялэчая работа АД.Грнф$нтса,^ Г .Ирвина, Е,0рована, Г.П. Черепанова, Е.М.Мороэова» В.Б.Панасюка, 'А.Л.Храшсова, В.Г.Орехо-' ва, Дж.РаЗса, Г.Са, Б.Подя и др.пшеаэывает значительный прогресс в области применения иэхаптга разрушения для расчета прочности материалов и конструкций.

Процесс разрушения конструкции, связанный с распростране -иием трещины, описывается условием

Параметр разрушения К для батона и горных пород определяется по формуле ^ ^ ыво Св9а -- К* е.) , {И)

где и К2 - коэффициенты интенсивности соответственно нормальных и касательных напряжений; Кр - критическое значение коэффициента интенсивности напряжений; ^ - угол распространения \ трещины.

Для случая, когда сдвиг происходит.по контакту штампа с основанием, угол = 0 и принимая, что контактный шов не воспринимает растягивающих напряжений к" = 0, подучим условие распространения трещины нормального отрыва в виде -

% - £ О (12)

Величина коэффициента интенсивности.напряжений К ' может быть определена по формуле . _

Кл = 1а & £ (л) + гз (л) > (13)

где 6; и - величины нормальных напряжений в расчетном сечении на участке распространения трещины} ¿а: - длина трещины; -^(А) и /г (Л) - некоторые функции, учитывающие граничные условия задачи; Л = / где I - длина расчетного сечения.

, Указанная методика расчета использована для проведения математического эксперимента по сдвигу штампа. Математическая модель сдвига представляется в следующем виде.

При загрузке штампа вертикальной силой Р о эксцентриситетом в контактном сечении возникают нормальные напряжения с растяжением под верховой гранью штампа. Используя приведенную выше методику расчета определяется глубина распространения трещины нормального отрыва.

Сдвиговая прочность штампа в этом случае обеспечивается ненарушенным участком шва и ее значение и, следовательно предельная величина сдвигающей силы &„р может быть определена при заданных параметрах и С .

Указанная математическая модель разрушения при сдвиге яв -ляется приближенной,однако, качественно воспроизводит основную картину разрушения цри сдвиге, при наличии моментной составляющей нагрузки, вызывающей растяжение под верховой гранью штампа.

• Указанная модель применена для математического эксперимента и определения влияния дополнительных факторов на сдвиговую прочность штампа. Для исследования факторной зависимости = = / С 6% л 6", I ), с учетом фактора ¿- - размера штампа или

т • - среднего градиента нормальных напряжений по плоскости сдвига, последняя запис ывается в виде

- -

еде ~ характерная сдвиговая прочность материала при £ , лС = и / а 4 .

Эксперимент выполнен в рамках метода научного планирования в предпололании справедливости линейной математической модели с соответствующей запись» уравнения регрессии ( см.фор -муду(Э)).

Уровня варьирования исследуемых факторов приведены в табл.5.

Таблица 5

Уровни Кодированное значение Значение величин факторов

Л МЛя. ' и МПа. А&- & «.с—- 1, м

Верхний +1. 0,9 0,115 0,9 0,575 0,15 0,460

Основной 0 0,8 0 1,4 0 0,10 0

Нижний 0,7 -0,115 1,9 -0,575 0,05 -0,460

Характеристики материала: ^ =0,8 Ша; 2Г «= 0,8691 МПа,

0,73; Сй = 0,328 Ша; Ксш = 0. Катрана планирования я результаты математических зкопери-гзаитов приведены в табл.6»

Таблица 6

1

расчетов & о ** У

I +г -I -I -I 0,6459 0,6509

И +1 +1 -I -I 0,9066 0,9017

Ш +1 -I +1 -I 0,8923 0,8875

17 +1 +1 +1 -I 1,1334 1,1383

У +1 -I -I +1 0,646 0,6509

п +1 +1 -I +1 ' 0,9066 0,9017

М (-1 -I +1 +1 0,8923 0,8875

УШ +1 (I +1 +1 1,1334 1,1383

0 0 0 0 0,8866

Мзтсматцческле экопевамачтч якполнялись щодвнвтелш» к

моделям изготовленным на основе гипсового вяжущего (см.главу 2). Модель штампа принималась с размерами 80 х 40 х мм, где I -изменялся в пределах интервала варьирования. Сдвигающая сила & прикладывалась на уровне контактного шва, моментная составляющая нагрузки обеспечивалась эксцентричным приложением вертикальной нагрузки Р, с возникновением растягивающих напряжений под верховой гранью штампа.

По результатам выполненного математического эксперимента построена математическая модель и уравнение регрессии подвергнуто статистической обработке.

Полученные, значения коэффициентов уравнения регрессии приведены в табл.7. '.••''

Таблица 7

к £ £ 1 1

0,8946 0,1254 0,1183 0,0000125 0,00489

Исключая малозначимыз' коэффициенты, получим уравнение регрессии в кодированных величинах факторов в следующем виде

У = 0,8946 + 0,1254 5*5 + 0,1183 . (15)

Анализ результатов выполненных математических исследований позволяет сделать следующие выводы.

1. Математические эксперименты подтвердили существенное влияние моментной составляющей нагрузки на сдвиговую прочность штампа. ' ,'

2. Фактор, учитывающий размер штампа ¿_ , оказался малозначимым и в уравнение'регрессии не вошел.

3. Сравнение уравнений регрессии в кодированных величинах факторов, полученных при физическом и математическом «одедаро-вании (сравни формулы(4)и(15)) показывают удовлетворительное их качественное совпадение. Некоторое количественное различие в значениях ковффициентов уравнения регрессии можно объяснить за счет различных диапазонов изменения факторов, что связано с необходимостью при математическом моделировании иметь растягивающие напряжения под верховой гранью штампа.

4. Учитывая ограниченную возможность применения математического моделирования следует для практических расчетов пользоваться уравнением регрессии по экспериментам физического модели-

рования как более достоверным, полностью воспроизводящим картину разрушения при сдвиге. ' \ '.'.'

Поэтому окончательно принимаем расчетную зависимость сдви»--говой прочности штампа (сооружения) в виде

ЪпР = и + • ««>'

В четвертой главе приводится анализ возможного повышения-гвянсшвшости сооружения за счет формирования благоприятного характера распределения нормальных напряжений по подошве сооружения,. приводящего к увеличению его сдвиговой прочности. . • качестве объекта исследования принята бетонная гравита-* цявнная! плотина Наглу.,, построенная в Афганистане. Плотина,, в»--сотой' 103 м,. имеет вертикальную напорную грань и заложение н№--новой грани гпг = 0,85. • : ; • -

В основу статических расчетов по выбору профиля плотины' Наглу в проекте заложена следующие исходные положения; I.. Обаомный вес кладки /г = 2,4 т/м3. • , 2„ Коэффициент трения бетона по скале = 0 ,7. 3„ Сцепление С = 0,20 МПа.

. • 4'... Допустимые сжимающие напряжения для скалы с учетом имеющихся зон-дробления равны 2,5 - 3,0 МПа.

.Для выявления направления в проектировании экономичного профиля бетонных плотин рассмотрены схематизированные- профили сооружения, параметры которого близки к условиям-- строительства плотины гидроузла Наглу. : -л,

В исследованиях приняты высота Плотины & =- Ю0> м;, "фу ~ = 0,7 и С=0,2 МПа. Указанные характеристики' близки? к' параметра^ при проведении модельных- исследований,, что позволяет дог оценки сдвиговой- прочности' сооружения1 применить получешую факторную зависимость (см;формулу.616))1

Будем считать, что сдвиговые'характеристик!®скального основания получены в результате проведения4 штамповши опытов применительно к гравитационной плотине Наглу с воспроизведением по подошве пляша напряквнного состояния-,, аналогичного запроектированному сооружению..

В этом случае при-треугольной.'эпюре-фильтрационного давления с коэффициентом ординаты:эпюр;.давления со стороны верховой- грани »<,,= 0,5 получим следующие исходные данные:

гг. = 0,865;; £. = 0,95^' ; = -0,434 ^ / } Кс = Г,Д7;; ^ = 0,425 I1 .

Были рассмотрены следующие варианты плотины: ',-..'

а) контрфорсная плотина о тонким напорным перекрытием;

0) контрфорсная плотина с массивными оголовками;

в) гравитационная плотина облегченного типа о широкими

швами;'; ■■'•'■:-.г ■ w ■; ■./, •-'.-;' ■ ■'•■•'■■;.'

г) контрфорсная плотина с массивными оголовками, имеющая вертикальную напорную грань и фундаментную плиту под низовой : гранью контрфорса. - ':"'.''.'. ." •'•

В исследованиях в широких пределах изменялись ширина плотины по низу £ , заложение;верховой грани плотины п£: ,толщина контрфорса <LK . массивность верхового оголовка т£ . пролет между контрфорсами или размер секции С .размер фундаментной плиты'и др. --V .'.'•■• •:-.. у -\ ;v^V

В расчетах исходя из условия устойчивости плотины против сдвига, определяемого с учетом формулы (16) отыскивались необходимые параметры сооружения, например, при заданных величинах заложения верховой грани п. отыскивались относительная толщина контфорса <£ = , относительная ширина плотины ' Л- ,ве-

личины напряжений: и '". относительная величина объе-

ма бетона на I п.м.плотины и т.д. , .'; V ;

Кроме того для выявления экономического эффекта определялись указанный параметры ( о^, , ^ , Vt) и для случая, когда устойчивость сооружения против сдвига оценивалась по зависимости Кулона-Мора, т.е.без у*гата влияния моментной составляющей нагрузки на сдвиговую прочность.

Все расчеты выполнялись по специальным программам на ;ЭВМ.

В качестве примера в табл.8 приводятся результаты расчетов для контрфорсной плотины с тонким напорным перекрытием с заданием условия в ввде ¿С = С" , т.е. когда = tC" и о (отсутствие растяжения под низовой гранью плотины).

Анализ данных таблицы 8 показывает, что при проектировании •плотины теоретического профиля при условии С = , т.е.при максимально приемлемом формировании напряженного состояния по подошве сооружения ( Qy = о ), учет моментной составляющей нагрузки при сдвиге (по сравнению с профилем, проектируемым без учета моментной составляющей нагрузки) позволяет получить сущес венное уменьшение объема бетона в 2 и более раза.

Следует,однако, отметить, что полученные экономичные профили плотины характеризуются значительной распластанномыо

Таблица 8

71 4 ¿ £ и Л л ч* ч & УЛ Vi а* л. f/

0,1 0,099 3,880 1,704 1,704 0,193 0,148 1,537 0,288 1,494

0,2 0,105 3,018 2,157 2,157 0,158 0,167 1,799 0,252 1,598

0,3 0,095 2,656 2,781 2,781 0,126 0,165 2,108 0,219 1,742

0,4 0,07£ 2,458 3,775 3,775 0,095 0,253 2,506 0,188 1,971

0,5 0,056 2,336 5,682 5,682 0,065 0,134 3,059 0,157 2,411

( > 2) и относительно небольшой толщиной контрфорса < ctj, 0,105). Для максимальной величины = 0,105 полученный профиль может быть использован, поводимому, для строительства многоарочных плотин о большими пролетами. Так при высоте плотины Д. а 100 м и пролете б = 50 м, при п. = 0,2 толщина контр « форса будет равна c¿K = c¿t¿ = 5,25 м, что дает парамотры близкие к параметрам плотины Гранваль.

Для получения конструктивного профиля плотины о более массивными оголовками были просмотрены вышеперечисленные варианты плотины.

Выполненные теоретические исследования показали, что достаточно высокий экономический Еффект (экономия бетона ~ 20+30$) о приемлемыми по конструктивным а производственным соображениям раэлерамн плотины могут быть получены для контрфорсной плотины с вертикальной напорной гранью н наличием фундаментной плиты под шзовой гранью плотины, имеющей следующие параметры: -dL¿ « 0,3-0,4; = 1,0; толщина верхового оголовка J$,I*Q,2) ¡ размер фундаментной плиты (0,340,5) 4 . Указанные раэмера были принята для предварительного назначения размеров варианта контрфорсной плотшш Наглу, которзга в дальнейшем уточнялись расчетом устойчнзостн соорукэння. Окончательные размера сооружения шэли следувдяе Еелачтт»: гшота плотюш А - 103 м; размер секия t =16м; ширзиа плотющ по ослошпяю (, =106 м$ толщина контрфорса =5,6м j зшорая грань вертикальна, гшзовая грань контрфорса с уклоном 1:0,7; талдапа вэрхизого оголовка 16 м; длина фундаментной плита 40 м; тоазяпа фундачвнтпой плата 6 м.

Экономически* показатели датгаго варяппт плотины Наглу при-кэдвнн а табл.9.

Крома того лт ъяр\тяа ялотлим № 2 швом благоприятный ха -

: ■ : Таблица 9

й & ц/п Сооружение ■ Объем бетона . плотины, ТЫС.М3 : Экономия ■; бетона по .. сравнению с : гравитационной плотиной, . . V % Экономия бетона по сравнению с вариантом плотины № з, : ■ %

I Вариант Я I. Бетонная гравитационная плотина (проектное решение) ' 605

2 Вариант № 2. Контрфорсная плотина (расчет устойчивости с учетом моментной составляющей нагрузка) '442,4 : ! .'..'•'■ 27 ' -■;. 17 •'

3 Вариант Й 3. Контрфорсная плотина (расчет устойчивости без учета моментной составляющей нагрузки) 534,4. . 12 .,;..•_

рактер распределения напряжений по контактному сечению плотины: на верховой Грани плотины ёу =1,0 МПа и на низовой грани' плотины = 0,62 МПа.; ..

.,/-..-' У ' ОЩИЁ ВЫВОДЫ :

1. Применяемый в настоящее время метод интегральной оценки устойчивости сооружения против сдвига, базирующийся на зависимости Кулона-Мора £пр = £ ( ) является приближенным, так как не учитывает неравномерного характера распределения напряжений по контакту плотины с основанием. .

2. Экспериментальные исследования до сдвигу гипсовых дадо-лзй штампа, выполненные с применением метода научного планирования эксперимента, позволили получить факторную зависимость и количественно оценить влияние моаенгной составлящей нагрузка на сдвиговую прочность штампа. Полученная зависимость -

- £ ( I ) и 0в анализ показали, что фактор момонтной составляющей нагрузки в ввда = -М- ( в исследованном диапазоне иаченения факторов, является болей значимым, чэм фактор среднего значения нормальных напряжений по подошве штампа .

Сравнение полученной зависимости Тпр - , л ^ , с ре-

зультатами полевых исследований по'сдвигу Оетошшх штампов с ыомзнтним приложением нагрузки подтвердило еч практическую применимость.

3. Применение механики разрушения позволяет предложить приближенную математическую модель одвига разрушения штампа и оценить влияние других факторов на сдвиговую прочность штампа.

Выполненные математические эксперименты показали, что фактор, характеризующий размер штампа L или величину среднего градиента нормальных напряжений ¿ji является малозначимым и нэ вошел в исследованную факторную зависимость Znpe

4. Проектирование плотин о учетом влияния моментной составляющей нагрузки на сдвиговую прочность сооружения, в случав формирования сжимающих, напряжений под верховой гранюь сооружения, позволяет получить существенный, экономический эффект. Для теоретического профиля контрфорсной плотины с максимально допустимой величиной моментной составляющей нагрузки при отсутствии растягивающих напряжений под низовой гранью плотина •

( Cje.ftf- if = о ) объем бетона по сравнению о варяазпчм плотины, расчет устойчивости которой производится без учета моментной составляющей нагрузки, уменьшается в 1,5 * 2 и более раза.

' Для конструктивно приемлемых размеров плотины массивно-контрфорсного типа при относительной толщине стенки контрфорса

0,3 0,4 и относительной ширине юютищ -j- = 1,0 (где I - пролет между контрфорсами и - высота плотины) эконо« шческиЗ эффект за счет учета момэнткой составляющей нагрузки при сдвига составляет величину порядка 20 * 30$.

5. Расчет экономического эффекта, выполненный для бетонной- плотины гидроузда Наглу в варианта массшзно-контрфорсной плотины с вертикальной напорной гранью и фундаментной плитой под низовой гранью плотины, показал, что экономия в бетоне по оравненио о вариантом плотины, устойчивость которой оценивается без учета моментной составляющей нагрузки, составляет 11%, а

по сравнению с гравитационной плотиной, принятой в проекте и осуществленной на практике, составляет 21%.

6. Направление дальнейших исследований по теме диссертации связывается с уточнением значений коэгМшшентов в предложенной (факторной зависимости по оценке сдвиговой прочности спального основания Гчр = £( t-^J при болео широком диапазоне изменения параметров t^f „ с •