Напряженно-деформированное состояние каменных плотин с асфальтобетонными экранами в пространственной постановке

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Напряженно-деформированное состояние каменных плотин с асфальтобетонными экранами в пространственной постановке

Общая характеристика работы

плотина деформированный реологический

Актуальность темы. В настоящее время в гидротехническом строительстве встречаются многие разновидности каменных плотин с негрунтовыми экранами (железобетонными и асфальтобетонными). Конструкция типа “негрунтовой экран” широко применяется для создания противофильтрационного устройства. Такие конструкции должны выдерживать большие напоры воды и от их надёжности зависит не только целостность сооружений гидроузла, но часто и жизнь многих людей.

Противофильтрационные устройства создаются из различных материалов, возводятся по различным технологиям и, следовательно, их расчеты прочности и устойчивости выполняются различными методами. Но работ в этой области мало и эти работы имеют много ограничений, особенно в методах расчета сооружений. Асфальтобетонные экраны - тонкие элементы и требуют высокой точности расчетов, учитывая огромную разницу деформативных свойств асфальтобетона и крупнообломочные грунты, с одной стороны, и очень малую толщину асфальтобетонного экрана в сравнении с телом плотины с другой.

Цель работы. Практика строительства и экономические факторы указывают на целесообразность расширения области применения асфальтобетонных противофильтрационных конструкций. Однако в проблеме внедрения асфальтобетонных противофильтрационных конструкций в строительстве имеется ряд не до конца решенных вопросов.

Поэтому цель работы: 1) выявить основные особенности работы плотины с асфальтобетонным экраном на основе исследовании напряженно-деформированного состояния как пространственной конструкции; 2) дать рекомендации для конструирования таких плотины как надёжной конструкции при различных условиях строительства (с учётом параметров створа, свойств материала экрана и грунтов тела плотины, внешних вохдействии).

Для проведения исследований плотин в пространственной постановке, необходимо было решить следующие задачи:

1. создать методику численных расчетов НДС экрана совместно с призмой из крупнообломочного грунта в нелинейной постановке с учетом реологических свойств материала;

2. провести численные исследования различных вариантов конструкции плотин с экраном в створах формы и рахмеров.

Научная новизна данной диссертационной работы заключается:

- в анализе взаимодействии тонкого асфальтобетонного экрана и крупнообломочного грунта тела плотины в пространственной постановке с учётом нелинейных, пластических и реологических свойств асфальтобетона и крупнообломочного грунта.

- в построении зависимостей (номограммы) для определения величин, растягивающих напряжений в зависимости от основных свойств материалов и формы створа.

Достоверность расчетов основана на применении энергетической модели грунта и асфальтобетона аппробированной экспериментально, на сопоставлении расчетов с натурными данными.

Практическая значимость работы. вытекает из выше сказанного, т.к. она позволяет не только выявить зоны растяжения, но и рекомендовать армирование этих зон геотекстилем для восприятия растягивающих напряжений, что обеспечит большую надёжность этого типа плотин.

Лично автором выполнен анализ работы этого типа плотин и свойств асфальтобетона, проведены численные расчёты НДС плотины на основе телрии планирования эксперимента для выбранных автором факторов, построены номограммы для удобства использования полученных результатов при проектировании.

На защиту выносятся: релультаты численные моделирования плотин с асфальтобетонным экраном как пространственной конструкции, построенные для анализа работы плотины номограмм, анализ роли формы створа на работи асфальтобетонного экрана плотины.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и библиографического списка из 127 наименований. Общий объём диссертации составляет 191 страницу, из которых 104 страницы машинописного текста. Диссертация содержит 101 рисунок и 7 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы.

Первая глава посвящена опыту применения асфальтобетонных экранов в гидротехническом строительстве и постановке поставленной задачи. Противофильтрационная конструкция типа «асфальтовый экран» впервые применялась при строительстве итальянской плотины Дига-ди-Кадилаго из каменной кладки с экраном из литого асфальтобетона, закрытого слоем каменной кладки (в 1893г). В настоящее время высота плотин с асфальтобетонным экраном уже достигает 101 метра.

Какие преимущества дает применение этого типа плотины? Прежде всего, обжатый профиль: низовой откос имеет заложение равное углу естественного откоса грунта тела плотины, а верховой - достигает заложения 1:0,7. Столь обжатый профиль плотины сокращает длину строительно-эксплуатационных туннелей и водоводов зданий ГЭС. Отсутствие в теле плотины связных грунтов позволяет вести строительные работы круглогодично. Малый объём асфальтобетона позволяет вести работы только в благоприятное для этих работ время года.

В зависимости от предполагаемых осадок и условий эксплуатации используются три вида экранов из асфальтобетона: однослойные, двухслойные и трехслойные. Однослойные экраны выполнены на 65 плотинах, двухслойные - на 66 и трехслойные - на 33 плотины.

В проблеме внедрения асфальтобетонных экранов в строительство имеется ряд нерешенных вопросов. Они вызваны недостаточной интенсивностью проведения исследований. В частности, это относится к разработке методов расчета асфальтовых противофильтрационных устройств.

Практика строительства и экономические факторы указывают на целесообразность расширения области применения асфальтобетонных экранов. Для этого необходимы провести исследования на основе факторного анализа плотин с асфальтобетонными экранами разных по конструкции.

Во второй главе

Описываются свойства и составы гидротехнических асфальтобетонов. Свойства асфальтобетона значительно зависят от качества исходных материалов, поэтому состав гидротехнического асфальтобетона подбирается в зависимости от требований к нему. На кафедре гидросооружений ранее были проведены исследования свойств асфальтобетона различного состава и при различных температурных условиях и была показана возможность использования для асфальтобетона энергетической модели материала. Энергетическая модель грунта и асфальтобетона Л.Н.Рассказова используется для решения задачи о НДС в нелинейной постановке. Особенностью модели является коаксиальность (соосность) тензоров приращения деформаций и приращения напряжений и отсутствие коаксиальности (соосности) - в случае сложного нагружения - для полных тензоров напряжений и деформации. Это имеет огромное значение при анализе прочности и деформируемости материала конструкции в той или иной точке. Естественно, что при линейных связях между напряжениями и деформациями коаксиальность выполняется как для тензоров приращений так и для тензоров полных напряжений и деформаций.

Энергетическое условие прочности, на котором основана энергетическая модель материала, записывается в виде:

U₀ + ------------------------------------------------------------------ (1)

Где U₀ - энергия связности грунта или энергия предварительного уплотнения, которая учитывает предысторию нагружения;

s - среднее напряжение;

e = - объёмная деформация;

S_mn, e_mn - компоненты девиаторов напряжений и деформаций соответственно;

L - параметры пути нагружения, если они заданы функционально;

Здесь s.dе - энергия объёмного сжатия, а S_mnde_mn - энергия формоизменения.

Коэффициент запаса прочности грунта определяется соотношением:

К_з = (2)

Поскольку К_з имеет физический смысл отношения энергии объёмного деформирования к энергии формоизменения, то вся модель работы грунта в допредельном состоянии была названа энергетической. Модель учитывает пластические, реологические, дилатантные свойства материалов, а также влияние пути нагружения.

По результатам проведенных Х.С. Шеримбетовым и Б.А. Чукиным экспериментальных исследований были получены уравнения, записанные в виде линейных полиномов, для определения параметров энергетической модели асфальтобетона и в зависимости от следующих факторов: количество крупного заполнителя, битума, начальное обжатие материала и температуа.

Из всех параметров модели в зависимости от температуры больше всего меняются начальный модуль объёмного деформирования (E₀), начальный модуль сдвига (G₀) и энергия начальной прочности (U₀). Для модуля объемной деформации Е₀ полином выглядит следующим образом (кгс/см²):

Е₀ = 423,6 - 107,1 Х₁ - 42,0 Х₂ + 341,0 Х₄ + 53,7 Х₁Х₂ - 95,4 Х₁Х₃ - 96,5 Х₁Х₄ - - 63,5 Х₂Х₄ + 62,8 Х₁Х₂ Х₃ + 61,6 Х₁Х₂ Х₄ - 95,0 Х₁Х₃ Х₄ + 61,7 Х₁Х₂ Х₃ Х₄

Х₁, Х₂, Х₃, Х₄ - нормированные значения факторов.

Х₁ - Количество крупного заполнителя в процентах от общего веса минеральной части асфальтобетона. Оно варьировалось от 30% (верхний уровень Х₁ = +1) до 60% (нижний уровень Х₁=1).

Х₂ - Количество битума БНД 60/90 - в процентах сверх 100% минеральной части. Оно варьировалось от 7% (верхний уровень фактора Х₂ = +1) до 14% (нижний уровень фактора Х₂ =1).

Х₃ - Начальное гидростатическое обжатие. Оно варьировалось от 0,2 МПа (верхний уровень Х₃ =+1) до 0,8 МПа (нижний уровень Х₃ = 1).

Х₄ - Температура варьировалась от 20С (нижний уровень Х₄ = 1) до +1С (верхний уровень Х₄ =+1).

Изменение начальной прочности и связности материала U₀ в зависимости от рассматриваемых факторов описывается следующим уравнением (тс/м²):

U₀ =3,82831 - 0,15956Х₁- 2,29419Х₂ - 0,11169Х₃ + 2,03004Х₄ - 0,01294Х₁Х₂ - 0,12456Х₁Х₃ - 0,16169Х₁Х₄ + 0,86956Х₂Х₄ + 0,00919Х₂Х₃ - 0,13456Х₃Х₄ - 0,06294Х₁ Х₂ Х₃ - 0,01831Х₁ Х₂ Х₄ - 0,08169 Х₁ Х₃ Х₄ - 0,00544 Х₂ Х₃ Х₄-0,01831 Х₁ Х₂ Х₃ Х₄ (4)

Для начального модуля сдвига G₀ пластических связей (кгс/см²) получено следующее уравнение регрессии

G₀ = 307,024 + 216,502 Х₂ + 16,254 Х₃ + 236,47 Х₄ + 25,358 Х₁Х₂ -

- 40,499 Х₁Х₃+ 199,267 Х₂Х₄+ 16,842 Х₃Х₄- 33,362 Х₁Х₂Х₃ +

+ 26,776 Х₁Х₂Х₄ - 40,925 Х₁ Х₃ Х₄ - 32,0965 Х₁ Х₂ Х₃ Х₄ (5)

Приведенные выше деформативные характеристики асфальтобетона используются в рамках энергетической модели материала.

Значения этих величин для двух используемых асфальтобетонов в интервале содержания битума от 7% до 10% приведено в табл.1

Таблица. 1

В третьей главе описываются теоретические основы и методика численного решения НДС плотин с асфальтобетонным экраном, в частности вариационный принцип МКЭ, выражающий его энергетический функционал и конечные элементы. Применялся 8-узловой пространственный элемент, который элемент квазилинейно аппроксимирует функцию перемещений внутри элемента.

При решении задачи о пространственном НДС плотины с асфальтобетонным экраном эффективным оказывается удобнее определять неизвестные перемещения путем решения системы линейных уравнений МКЭ, а не методомлокальных вариаций:

[K]{u}= {F} (6)

где [K] - матрица жёсткости системы; {u} - вектор перемещений степеней свободы; {F} - вектор внешних сил в степенях свободы.

Для учёта значительного влияния на формирование НДС плотины последовательности её возведения и восприятия внешних сил необходимо решать не одну, а несколько таких задач (6), для ряда этапов возведения плотины. В этом случае для одного из расчётных этапов система уравнений (6) будет иметь вид:

[K_m]{?u_m}= {?F_m} (7)

Где m - номер расчётного этапа; [K_m] - матрица жёсткости системы для этапа m; {?u_m} - вектор приращений перемещений степеней свободы на этапе т; {?F_m} - вектор приращений внешних сил в степенях свободы на этапе т.

Проведение расчётов на основе решения системы [(6) или (7)] возможно, если материал конструкции можно принять линейно - деформируемым на участке ступени нагружения. Грунты и асфальтобетон - материалы с ярко выраженной нелинейностью деформативных свойств, которые изменются и в процессе восприятия внешних нагрузок деформируемости элементов плотины изменяется. Для учёта изменения деформируемости материала необходимо на каждом из расчётных этапов решать несколько задач, на каждой из которых должна прикладываться часть ("доля") внешней нагрузки и изменяться деформируемость материала. Для каждой из долей система (7) будет выглядеть следующим образом:

[K_д]{дu}= {дF} (8)

где [K_д] - матрица жёсткости на момент приложения доли нагрузки; {дu} - вектор приращений перемещений от доли дополнительной внешней нагрузки {дF}.

Такой подход носит название метода переменной матрицы жёсткости. Его основной недостаток - увеличение времени счёта, т.к. на каждой из долей приходится формировать матрицу жёсткости и проводить её треугольное разложение, но время счёта все же меньше, чем при использовании метода локальных вариаций в чисто виде.

Сократить время счёта можно, используя метод переменного вектора сил. В этом методе матрица жёсткости для ряда долей одного из этапов остаётся неизменной, а учёт нелинейности деформирования ведётся в векторе внешних сил. При этом требуется итерационный процесс, в ходе которого происходит накопление перемещений

{ дu }_L= { дu }_L-1 + { ддu }_L

Здесь {дu}_L, {дu}_L-1 - вектор приращений перемещений накопленных соответственно на итерациях L и L-1, а {ддu}_L - вектор приращений перемещений, полученных на итерации L.

Система уравнений (8) в этом случае выглядит следующим образом:

[ K_m ] { ддu }_L = { д}_L (9)

где { д} - фиктивный вектор сил, включающий накопленные к рассматриваемой итерации внутренние усилия в элементах.

Элемент вектора { д} для j-той степени свободы вычисляется по формуле

д_j = дF_j - ({ b_j }^T { ду})dV (10)

где дF_j - приращение нагрузки, отнесённой к j-той степени свободы; i-номер элемента, окружающего j-тую степень свободы; {b_j}- столбец матрицы формы i-того элемента, связывающий его деформации с перемещением j-той степени свободы;{ ду } - вектор приращений напряжений в i-том элементе от {дF}, накопленных в итерационном процессе данной доли.

При этом приращения напряжений { ду } в элементах определяются по деформативным характеристикам, устанавливаемых для каждой из долей постоянными.

В четвёртой главе рассматриваются результаты исследований напряжённо-деформированного состояния плотины с асфальтобетонным экраном в пространственной постановке на примере плотины с асфальтобетонным экраном в створе Сесан-4 в СРВ. Рассматривалась плотина высотой 78,0 м  с призмой из крупнообломочного грунта. Плотина на скальном основании с разбивкой на элементы и графиком возведения по зонам строительства и подъема воды верхнего бьефа также по зонам представлены на рис.1. В плотине было выделено 18 зон возведения и рассмотрено 29 этапов возведения плотины и наполнения водохранилища.

Для данной плотины исследовано влияние на напряженно-деформированное состояние экрана следующих факторов: а) толщина экрана; б) свойства асфальтобетона; в) деформируемость грунтов в теле плотины; г) заложение верхового откоса.

Деформативные свойств асфальтобетона (X₁) назначались в зависимости от содержания битума Р_б, которое варьировалось от (Р_б= 7%)(-1) до (Р_б= 10%) (+1). Характеристика грунтов тела плотины (X₂) варьировались от (крупнообломочный грунт-2) (-1) до (крупнообломочный грунт-1) (+1). Заложение верхового откоса (X₃) варьировалось от 1:1.4 (-1) до 1:0.7 (+1). Толщина экрана (X₄) варьировалась от верхнего уровня (-1) 0,39 м до нижнего (+1) 0,28 м.

Исследования проводились согласно плану расчетов, построенному по методу дробного факторного анализа (табл.2).

При рассмотрении варианта плотины с заложением откосов, соответствующем углу естественного откоса, было получено, что максимальная осадка плотины высотой около 80 м на момент окончания строительства достигает 15,5см, а на гребне лишь 1,46 см (рис.2б). Это хорошо согласуется с данными натурных наблюдений за подобными плотинами. Горизонтальные смещения на гребне достигают 0,5 см, а на низовом откосе до 5,73 см (рис.2а).

Найбольший интерес вызывает прогиб экрана (рис.3). В центральном сечении его вертикальная составляющая достигает 5,3 см на уровне несколько выше середины плотины, а горизонтальная - 6,9 см. Расчёты показали, что на большей площади экран находится в состоянии трёхосного сжатия за исключением зон примыкания. Минимальные (максимальные сжимающие) главные напряжения у₁ действуют в направлении поперёк экрана, а максимальные у₃ - от борта к борту.

При толщине экрана 0,39м и свойствах асфальтобетона при Р_б= 7%, главные напряжения в экране в центральном сечении достигают значений: максимальные главные напряжения у₃ на верховой грани составляют -4,13 кГ/см² и на низовой грани -4,32 кГ/см² (сжатие), минимальные главные напряжения у₁ на верховой грани составляют - 8,23 кГ/см² и на низовой грани - 8,57 кГ/см² (рис. 4).

Наличие малых растягивающих напряжений у₃ на гребне и практически по всей высоте экрана говорит о возможности раскрытия небольших трещин в примыканиях к бортам и на гребне. Растягивающие максимальные главные напряжения у₃ на верховой грани достигают 0,33 кГ/см² и на низовой грани 0,26 кГ/см² (рис.5). Влияние на НДС экрана уклона верхового откоса.

С другой стороны, существует много плотин, в которых верховой откос имеет заложение до 1:0,7. Столь крутой откос можно выполнять, если колебания уровня воды в верхнем бьефе незначительны, т.к. в противном случае верховой откос может сползти (разрушиться) при снижении уровня. При крутом откосе (1:0,7) главные напряжения в экране в центральном сечении: сжимающие максимальные главные напряжения у₃ на верховой грани возрастают с -3,39 кГ/см² до -4,43 кГ/см² и с -3,45 кГ/см² до -4,42 кГ/см² на низовой грани, сжимающие минимальные главные напряжения у₁ на верховой грани возрастают с -8,44 кГ/см² до -8,76 кГ/см² и на низовой грани с -8,55 кГ/см² до -8,74 кГ/см². Таким образом, можно заключито, что перепад напряжений между верховой и низовой гранью мал и изменения напряжений по толщине экрана сравнительно малы. Обобщая изложенное, можно также заключить, что делать крутые откосы можно, но возрастут требования к качеству укладки асфальтобетона из-за малой толщины экрана, к борьбе с температурными воздействиями, которые могут вызвать оплывание экрана. Главные напряжения в примыкании экрана к бортам: для этого варианта составили у₃ на верховой грани от 0,33 кГ/см² до 0,55 кГ/см² и на низовой грани от 0,26 кГ/см² до 0,45 кГ/см². Таким образом, именно бортовые примыкания являются наиболее слабым местом асфальтобетонного экрана, т.к. там практически всегда возникают растягивающие напряжения.

Влияние свойств асфальтобетона на НДС экрана.

Рассмотрим теперь 2 варианта плотины с одинаковыми уклонами верхового откоса 1:1,4, свойствами крунообломочного грунта-1 и тольщиной экрана0,39 см. Но будем менять содержание битума асфальтобетона от (Р_б= 7%) до (Р_б= 10%) и соответственно менять свойства асфальтобетона.

Расчёты показали, что при свойстве асфальтобетона с Р_б = 7% в экране сжимающие минимальные главные напряжения у_1, на верховой грани составляют -8,23 кГ/см², а на низовой грани -8,57 кГ/см². При свойствах асфальтобетона с содержанием (Р_б) битума 10%, сжимающие напряжения у₁ составляют на верховой грани -8,19 кГ/см² и на низовой грани -8,52 кГ/см². Главные напряжения в экране в примыканиях: При свойствах асфальтобетона с Р_б= 7%, растягивающие максимальные главные напряжения у₃ на верховой грани составляют +0,33 кГ/см², а на низовой грани +0,26 кГ/см². При свойствах асфальтобетона с Р_б= 10%, напряжения у₃ составляют соответственно на верховой грани +0,44 кГ/см² и на низовой грани +0,29 кГ/см², т.е. практически расхождение соответствуют точности решения. Таким образом, свойства асфальтобетона имеют небольшое влияние на напряжения, так как они в большом сечении определяются нагрузками.

Влияние свойств грунтов тела плотины на НДС каменных плотин с асфальтобетонными экранами.

Для варианта плотины с уклоном верхового откоса 1:1,4 и свойствам асфальтобетона с Р_б = 7%, и толщиной экрана 0,39 см, были проведены исследования при различных свойствах крупнообломочных грунтов (согласно таб.2). При грунте тела плотины, соответствующем крупнообломочному грунту-1 наибольшие осадки в центральной призме (15,44 см) отмечаются на середине по высоте плотины (на отметке 185,0м) и здесь же наибольшие смещения (5,73 см). Если тело плотины сложено крупнообломочными грунтом-2, то наибольшие осадки центральной призмы составляют уже 21,26 см а наибольшие смещения 7,10 см. То есть грунт № 2 более деформируем, чем грунт № 1, поэтому при его использовании плотина получает большие осадки и смещения

Влияние толщины экрана на НДС экрана. Для оценки влияния толщины экраны на НДС экрана, рассмотрим варианты плотины с уклоном верхового откоса 1:1,4 и свойствами асфальтобетона при Р_б= 7% и крупнообломочном грунте-1 в теле плотины, но с разной толщиной экрана (от 0,39 м до 0,28 м). Расчеты показали, что при толщине экрана 0,39 м имеем сжимающие минимальные главные напряжения у₁ на верховой грани -8,23 кГ/см² и на низовой грани -8,57 кГ/см². При толщине экрана 0,28 м имеем сжимающие минимальные главные напряжения у₁ на верховой грани - 8,37 кГ/см² и на низовой грани - 8,52 кГ/см². В пределях изменения толщины экрана с 28см до 39см максимальные напряжения изменились очень мало. Можно считать, что для плотины высотой до 80 м (по крайней мере) толщина экрана должна назначаться из условия надёжности исходя из технологии укладки экрана. Толщина экрана на его НДС практическм не влияет.

На основе результатов таб.2 получены отклики в виде полинома для определения максимальных величин главных растягивающих у₃ напряжений вблизи верховой грани () и на низовой гранях экрана ().

= 0,43 - 0,06Х₁ - 0,06Х₂ + 0,008Х₃ - 0,018Х₄ + 0,01Х₁Х₂ - 0,003Х₁Х₃ -

- 0,003Х₂Х₃ (11)

= 0,339 - 0,026Х₁ - 0,056Х₂ + 0,011Х₃ + 0,001Х₄ + 0,009Х₁Х₂ -0,004Х₁Х₃- - 0,004Х₂Х₃ (12)

Проверка адекватности (вариант № 9) была проведена в центре плана и дала хорошую сходимость (отклонение менее 2,4%).

Для удобства пользования уравнения (11) построены их графические изображения - номограммы (рис.5а).

В пятой главе Эта глава посвящена исследованиям напряжённо-деформированного состояния (НДС) асфальтобетонного экрана каменной плотины при различных факторах. Рссматривались четыре фактора: 1) напора на экран, 2) форма cтвора, 3) ширина створа, 4) уклон верхового откоса.

Напор на экран (Х₁) варьировался от 13 м (+1) до 90м (-1), форма cтвора (Х₂) варьировалась от треугольной формы(+1) до прямоугольной формы(-1), коэффициент створа (X₃) менялся 5 (+1), до 2 (-1), Заложение верхового откоса (Х₄) варьировалось 0,7 (+1), а низового (-1) 1,4.

В таблице 3 представлен план расчетов.

Максимальная расчётная осадка экрана получена равной 8,8 см, смещение 7,9 см для плотины с напором на экран 90 м.

Расмотрим НДС плотины с напором на экран 90 м, в треугольном створе, с коэффициентом створа 5 при заложении верхового откоса 1,4. В центральном сечении экрана сжимающие максимальные главные напряжения у₃ на верховой грани составляют -3,75 кГ/см², сжимающие минимальные главные напряжения у₁ на верховой грани составляют -9,28 кГ/см², промежуточные главные напряжения у₂ на верховой грани составляют -3,85 кГ/см² (рис.7). В примыкании максимальные главные напряжения у₃ на верховой грани составляют 2,24 кГ/см² (растяжение), сжимающие минимальные главные напряжения у₁ на верховой грани составляют -6,71 кГ/см², сжимающие промежуточные главные напряжения у₂ на верховой грани составляют -2,33 кГ/см² (рис. 8). Наиболее слабое место асфальтобетонного экрана - это примыкания его к скальным бортам и основанию. В этих областях в экране возникают растягивающие напряжения. В центральных сечениях он сжат по всем направлениям. Небольшие растягивающие напряжения наблюдаются у гребня.

В области бортовых примыканий экран работает в условиях сложного напряжённого состояния, а в центральных сечениях условия его работы близи к тем, которые используются при стандартных стабилометрических испытаниях асфальтобетона.

В зонах появления в асфальтобетонном экране растягивающих напряжений можно рекомендовать армировать его как минимум двумяполотнищами специальной дорожной геотекстильной сетки, выдерживающей высокие температуры (до 190⁰С). Можно ожидать, что использование геотекстиля повысит долговечность асфальтобетонного экрана. Защитный слой у сеток геотекстиля рекомендуется принимать 30-50 мм.

По результатам исследовании были определены и - максимальные значения растягивающих главных напряжений на соответственно на середине и в основании на верховой грани. Функции отклика имеют вид:

= 0,571 -0,204Х₁ -0,151Х₂ - 0,091Х₃ - 0,069Х₄ + 0,214Х₁Х₂ +0,159Х₁Х₃ +

+ 0,081Х₂Х₃ (13)

= 0,96 - 0,525Х₁ + 0,44Х₂ - 0,033Х₃ - 0,043Х₄ - 0,305Х₁Х₂ + + 0,203Х₁Х₃ + 0,203Х₂Х₃ (14)

И таблицы 3 видно, что расхождение при проверке адекватности функции 1 практически отсутствует (0,58 и 0,57), а расхождение для функции 2 составило: 100% = 25%

Это достаточно серьёзное расхождение, но учитывая, что сами величены растягивающих напряжений малы по абсолютной величие и запас за счёт армирования асфальтобетона геотекстилем достигается К_н = 2, то полученные результаты для оценки растяжения в первом приближении можно считать удовлетворительными.

В створе прямоугольной формы премещения больше 2 раза, чем в створе треугольной формы.

Выявлено влияние коэффициенты створа на НДС каменных плотин с асфадьтобетонными экранами. Результаты показали, что величина смещения при коэффициенте створа больше, чем величина смещения при коэффициенте створа.

По результатам исследований удалось построить номограмму для определения растягивающих главные напряжений у основания и на середине высоты в асфальтобетонном экране (рис. 9) и (рис. 10). Из номограммы видно, что при напоре на экран 90 и более метров растягивающие напряжения быстро возрастают в зависимости от коэффициента створа и заложения верхового откоса. Это следует иметь в виду при проектировании. Высока роль взаимодействий, особенно напора на экран с формой створа, а роль коэффициента створа и заложения откосов сравнительно скромней.

Общие выводы

1. В диссертации решена задача о напряжённо-деформированном состоянии асфальтобетонного экрана каменной плотины в пространственной постановке. При учёте пространственного характера работы сооружения сложность расчётов возрастает в несколько раз по отношению к расчётам в плоской постановке. Возникающие сложности можно подразделить на 3 группы. Во-первых, это трудности создания математической модели сооружения. Количество степеней свободы в пространственной модели примерно на 2 порядка больше, чем в плоской. Во-вторых, усложняется алгоритм расчётов с использованием моделей описания нелинейных свойств среды. В-третьих, это трудности вычислений, которые связаны с резким увеличением длины и ширины ленты матрицы жёсткости.

2. Касательные напряжения в асфальтобетонном экране малы, поэтому главные напряжения действуют вдоль и поперёк плоскости экрана. Минимальные (максимальные сжимающие) напряжения у₁ действуют в направлении поперёк экрана. Они почти соответствуют гидростатическому давлению со стороны ВБ. Не полное соответствие вызвано тем, что при расчётах напряжения определяются внутри элемента, а не на поверхности, где совпадение полное по постановке задачи.

3. Максимальные главные напряжения у₃ (минимальный уровень сжатия) почти совпадают по направлению с осью Z (от борта к борту) и соответственно близки по значениям к напряжениям у_z. Минимальные у₁ и максимальные у₃ напряжения в большей части экрана различаются примерно в 2-3 раза.

4. Промежуточные главные напряжения в экране у₂ действуют вдоль экрана и оказались ближе к максимальному (по абсолютной величине) у₃, чем к минимальному у_1, т.е. вид напряженного состояния ближе к параметру Лоде - Надаи л = -1, как для стандартной методики стабилометрических испытаний.

5. Большая часть экрана находиться в состоянии трёхосного сжатия, т.е. его НДС - благоприятно. Растягивающие напряжения возникают в примыканиях экрана к бортам, основанию, а также у гребня. Практически во всех случая они оказались малы (~ 1,0 кГ/см²). Для восприятия растягивающих напряжений возможно усиление асфальтобетона геотекстилем для дорожного строительства, который выдерживает температуру до 190⁰С (температура укладки асфальтобетона менее 150⁰С). При толщине экрана от 30 см до 50 см необходимо уложить два полотна геотекстиля, которые будут выполнять в асфальтобетоне роль арматуры как в железобетоне. При этом коэффициент надёжности на растяжение асфальтобетона в зонах растяжения будет равен ~2. Это позволяет сделать асфальтобетонные экраны более надёжными и расширить область их применения.

6. Использование методов оптимизации и факторного анализа позволило создать рекомендации по выбору конструкции плотины с асфальтобетонным экраном для плотины высотой ~ 78 м в конкретном створе (Сесан-4). Получены зависимости максимальных величин растягивающих напряжений на гранях экрана от четырёх факторов и их взаимодействий (деформативные свойства камня и асфальтобетона, толщина экрана и заложение верхового откоса). Главное влияние оказывает состав асфальтобетона и тип грунта плотины, а наименьшее - толщина экрана. Увеличение крутизны откоса не приводит к значительному изменению перемещений и напряжений в экране. Эти функции удалось номографировать. (Поскольку они близки, то номографировалась одна функция).

7. По результатам исследований удалось построить номограмму для определения максимальных величин растягивающих главных напряжений у₃ в асфальтобетонном экране в бортовых примыканиях. Из номограммы видно, что при напоре на экран 90 и более метров растягивающие напряжения быстро нарастают при увеличении коэффициента створа и заложения верхового откоса. Это следует иметь в виду при проектировании. Высока роль и взаимодействия различных факторов, особенно напора на экран с формой створа. Роль взаимодействия коэффициента створа и заложения откосов сравнительно скромней.

Разработанная методика исследований плотины с экраном с помощью факторного анализа позволяет более обоснованно выбирать параметры конструкции и материалов плотины, что повышает надёжность, обоснованно удешевляет сооружение и повышает долговечность асфальтобетонного экрана.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах автора

1. - Рассказов Л.Н., Саинов М.П., Хоанг Минг Тхуан. О расчетах напряжённо-деформированного состояния плотин с асфальтобетонным экраном в пространственной постановке// Вестник МГСУ. 2006 №2, с 133-139.

2. - Рассказов Л.Н., Саинов М.П., Хоанг Минг Тхуан. Пространственное напряжённое состояние асфальтобетонного экрана каменной плотины// Гидротехническое строительство, 2006 №10, с 29-33.

Размещено на Allbest.ru